Perekayasaan Sistem Audio
i
Perekayasaan Sistem Audio
Penulis Penuli s
: HENDRO HERMANTO
Editor Materi
: WIDIHARSO WIDIHARSO
Editor Bahasa
:
Ilustrasi Sampul
:
Desain & Ilustrasi Buku
:PPPPTK BOE MALANG
Hak Cipta © 2013, Kementerian Pendidikan & Kebudayaan Kebudayaan
Semua hak cipta dilindungi undang-undang. Dilarang memperbanyak (mereproduksi), mendistribusikan, atau memindahkan sebagian atau seluruh isi buku teks dalam bentuk apapun atau dengan cara apapun, termasuk fotokopi, rekaman, atau melalui metode (media) elektronik atau mekanis lainnya, tanpa izin tertulis dari penerbit, kecuali dalam kasus lain, seperti diwujudkan dalam kutipan singkat atau tinjauan penulisan ilmiah dan penggunaan non-komersial tertentu lainnya diizinkan oleh perundangan hak cipta. Penggunaan untuk komersial harus mendapat izin t ertulis dari Penerbit. Hak publikasi dan penerbitan dari seluruh isi buku teks dipegang oleh Kementerian Pendidikan & Kebudayaan. Untuk permohonan izin dapat ditujukan kepada Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan, melalui alamat berikut ini: Pusat Pengembangan & Pemberdayaan Pendidik & Tenaga Kependidikan Bidang Otomotif & Elektronika: Jl. Teluk Mandar, Arjosari tromol Pos 5, Malang 65102, Telp. (0341) 491239, (0341) 495849,
Fax.
(0341)
491342,
Surel :
[email protected] .Laman: Surel:
www.vedcmalang.com
ii
Perekayasaan Sistem Audio
Penulis Penuli s
: HENDRO HERMANTO
Editor Materi
: WIDIHARSO WIDIHARSO
Editor Bahasa
:
Ilustrasi Sampul
:
Desain & Ilustrasi Buku
:PPPPTK BOE MALANG
Hak Cipta © 2013, Kementerian Pendidikan & Kebudayaan Kebudayaan
Semua hak cipta dilindungi undang-undang. Dilarang memperbanyak (mereproduksi), mendistribusikan, atau memindahkan sebagian atau seluruh isi buku teks dalam bentuk apapun atau dengan cara apapun, termasuk fotokopi, rekaman, atau melalui metode (media) elektronik atau mekanis lainnya, tanpa izin tertulis dari penerbit, kecuali dalam kasus lain, seperti diwujudkan dalam kutipan singkat atau tinjauan penulisan ilmiah dan penggunaan non-komersial tertentu lainnya diizinkan oleh perundangan hak cipta. Penggunaan untuk komersial harus mendapat izin t ertulis dari Penerbit. Hak publikasi dan penerbitan dari seluruh isi buku teks dipegang oleh Kementerian Pendidikan & Kebudayaan. Untuk permohonan izin dapat ditujukan kepada Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan, melalui alamat berikut ini: Pusat Pengembangan & Pemberdayaan Pendidik & Tenaga Kependidikan Bidang Otomotif & Elektronika: Jl. Teluk Mandar, Arjosari tromol Pos 5, Malang 65102, Telp. (0341) 491239, (0341) 495849,
Fax.
(0341)
491342,
Surel :
[email protected] .Laman: Surel:
www.vedcmalang.com
ii
Perekayasaan Sistem Audio
DISKLAIMER (DISCLAIMER (DISCLAIMER ) Penerbit tidak menjamin kebenaran dan keakuratan isi/informasi yang tertulis di dalam buku tek ini. Kebenaran dan keakuratan isi/informasi merupakan tanggung jawab dan wewenang wewenang dari penulis. penulis. Penerbit tidak bertanggung jawab dan tidak melayani terhadap semua komentar apapun yang ada didalam buku teks ini. Setiap komentar yang tercantum untuk tujuan perbaikan isi adalah tanggung jawab dari masing-masing penulis. Setiap kutipan yang ada di dalam buku teks akan dicantumkan sumbernya dan penerbit tidak bertanggung jawab terhadap isi dari kutipan tersebut. Kebenaran keakuratan isi kutipan tetap menjadi tanggung jawab dan hak diberikan pada penulis dan pemilik asli. Penulis bertanggung jawab penuh terhadap setiap perawatan (perbaikan) dalam menyusun informasi dan bahan dalam buku teks ini. Penerbit
tidak
ketidaknyamanan
bertanggung yang
jawab
disebabkan
atas sebagai
kerugian, akibat
kerusakan
dari
atau
ketidakjelasan,
ketidaktepatan atau kesalahan didalam menyusun makna kalimat didalam buku teks ini. Kewenangan
Penerbit
hanya
sebatas
memindahkan
atau
menerbitkan
mempublikasi, mencetak, memegang dan memproses data sesuai dengan undang-undang yang berkaitan dengan perlindungan data. Katalog Dalam Terbitan (KDT) Video Audio , Edisi Pertama 2013 Kementrian Pendidikan & Kebudayaan Direk Direktor torat at Jende Jenderal ral Peni Penin n katan katan Mutu Mutu Pendi Pendidi dik k & Tena a Ke endidi endidikan kan,, Tahun Tahun 2013: 2013:
iii
Perekayasaan Sistem Audio
KATA PENGANTAR
berperan serta dalam membantu terselesaikannya buku teks siswa untuk Mata Puji syukur kami panjatkan kepada Tuhan yang Maha Esa atas tersusunnya buku teks ini, dengan harapan dapat digunakan sebagai buku teks untuk siswa Sekolah Menengah Kejuruan (SMK) Program Keahlian Teknik Komputer dan jaringan . Penerapan kurikulum 2013 mengacu pada paradigma belajar kurikulum abad 21 menyebabkan terjadinya perubahan, yakni dari pengajaran ( teaching ) menjadi belajar (learning ), dari pembelajaran yang berpusat kepada guru ( teacherscentered ) menjadi pembelajaran yang berpusat kepada peserta didik ( studentcentered ), dari pembelajaran pasif ( pasive learning ) ke cara belajar peserta didik aktif (active learning) atau Student Active Learning. Buku teks ″Perekayasaan Sistem Audio″ ini disusun berdasarkan tuntutan paradigma pengajaran dan pembelajaran kurikulum 2013 diselaraskan berdasarkan pendekatan model pembelajaran yang sesuai dengan kebutuhan belajar kurikulum abad 21, yaitu pendekatan model pembelajaran berbasis peningkatan keterampilan proses sains. Penyajian buku teks untuk Mata Pelajaran ″ Perekayasaan Sistem Audio″ ini disusun dengan tujuan agar supaya peserta didik dapat melakukan proses pencarian pengetahuan berkenaan dengan materi pelajaran melalui berbagai aktivitas proses sains sebagaimana dilakukan oleh para ilmuwan dalam melakukan eksperimen ilmiah (penerapan scientifik), dengan demikian peserta didik diarahkan untuk menemukan sendiri berbagai fakta, membangun konsep, dan nilai-nilai baru secara mandiri. Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan, Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan, dan Direktorat Jenderal Peningkatan Mutu Pendidik dan Tenaga Kependidikan menyampaikan terima kasih, sekaligus saran kritik demi kesempurnaan buku teks ini dan penghargaan kepada semua pihak yang telah Pelajaran Perekayasaan Sistem Audio Kelas X / Semester 1 Sekolah Menengah Kejuruan (SMK).
Jakarta, 12 Desember 2013 Menteri Pendidikan dan Kebudayaan
Prof. Dr. Mohammad Nuh, DEA
iv
Perekayasaan Sistem Audio
Daftar Isi Contents HALAMAN FRANCIS ................................................................................. iii KATA PENGANTAR .................................................................................. iv DAFTAR ISI ............................................................................................... iv
Akustik ................................................................................................................ 1 KOMPETENSI INTI (KI-3) ....................................................................... 1 KOMPETENSI INTI (KI-4) ....................................................................... 1 Gelombang Suara ................................................................................... 2 1.1.
Terbangkitnya Suara ................................................................. 2
1.2.
Frekuensi bunyi......................................................................... 3
1.3.
Tekanan bunyi .......................................................................... 4
1.4.
Penyebaran bunyi ..................................................................... 7
Bahan ......................................................................................................... 7 1.5.
Panjang gelombang ................................................................. 8
1.6 Akustik ruangan ............................................................................. 9 TUGAS 1 ..................................................................................................12 TUGAS 2 ..................................................................................................13 PERTANYAAN ......................................................................................... 14
v
Perekayasaan Sistem Audio
Psikoakustik Telinga Manusia ................................................................................................................. 15 KOMPETENSI INTI (KI-3) ..................................................................... 15 KOMPETENSI INTI (KI-4) ..................................................................... 15 2.
Psikoakustik Telinga Manusia..................................................... 16
2.1
Anatomi dan fungsi telinga manusia........................................ 16
2.2
Ambang dengar dan batas sakit .............................................. 17
2.3.
Kuat Suara .............................................................................. 17
2.5.
Hubungan dari sumber-sumber bunyi ..................................... 21
2.6.
Pendengaran secara ruangan ................................................. 23
TUGAS 1 ..................................................................................................25 TUGAS 2 ..................................................................................................26 TUGAS 3 ..................................................................................................27 PERTANYAAN ......................................................................................... 28
Mikrophon ................................................................................................................. 29 KOMPETENSI INTI (KI-3) ..................................................................... 29 KOMPETENSI INTI (KI-4) ..................................................................... 29 4.
Instalasi macam-macam tipe mikrofon pada sistem akustik ........ 30
4.1.
Karakteristik mikrofon.............................................................. 30
4.2.
Struktur dan prinsip kerja macam-macam tipe mikrofon. ......... 32
vi
Perekayasaan Sistem Audio
Gambar 4.3. Potongan mikropon telepon (kiri) dan tanggapan frekuensi mikropon arang (kanan). .................................................... 33 4.2.3. Mikropon dinamik.................................................................... 35 4.2.4. Mikropon kristal....................................................................... 37 TUGAS 1 ..................................................................................................44 PERTANYAAN ......................................................................................... 44
Rangkaian penguat depan audio (universal pre-amplifier) ................................................................................................................. 45 KOMPETENSI INTI (KI-3) ..................................................................... 45 KOMPETENSI INTI (KI-4) ..................................................................... 45 5.1.
Arsitektur rangkaian penguat depan universal audio (universal
pre-amplifier). .................................................................................... 46 5.2.
Merencana rangkaian penguat depan universal audio. ........... 49
TUGAS 1............................................................................................... 58 PERTANYAAN ...................................................................................... 60 TUGAS 2............................................................................................... 68 PERTANYAAN ...................................................................................... 70 TUGAS 3............................................................................................... 78 PERTANYAAN ...................................................................................... 79 5.3.
Lebar Daerah Frekuensi.......................................................... 80
5.3. Perbandingan lebar daerah ke perbandingan penguatan ............ 94 TUGAS 4 ........................................................................................... 97 5.4.
Pengukuran Kualitas Penguat Suara .................................... 100
vii
Perekayasaan Sistem Audio
Akustik
K OMPE TENS I INTI (KI-3)
K OMPE TENS I INTI (KI-4)
Kompetensi Dasar (KD):
Kompetensi Dasar (KD):
1. Memahamai gelombang suara dan
1. Mengukur
gelombang
suara
sistem akustik ruang
dimensi sistem akustik ruang
Indikator:
Indikator:
1.1. Menginterprestasikan
elemen
1.1. Mengklasifikasikan
dan
elemen
gelombang, jenis-jenis dan interaksi
gelombang, jenis-jenis dan interaksi
gelombang suara.
gelombang suara.
1.2. Menginterprestasikan
karakteristik
1.2. Mendiagramkan
gelombang suara pada berbagai
gelombang
macam media.
macam media.
1.3. Menginterprestasikan
level
suara
dalam satuan decibel (dB).
suara
karakteristik pada
berbagai
1.3. Mengukur level suara dalam satuan decibel (dB) dan interprestasi data
1.4. Merencanakan sistem akustik ruang kecil.
hasil pengukuran. 1.4. Mengukur level suarasistem akustik
1.5. Merencanakan kebutuhan mikrofon pada sistem akustik suara.
ruang kecil dan interprestasi data hasil pengukuran. 1.5. Memilih kebutuhan mikrofon sesuai dengan kebutuhan sistem akustik ruang kecil.
1
Perekayasaan Sistem Audio
G elombang S uara 1.1.
Terbangkitnya Suara
Akustik adalah ilmu suara, yang dimaksud suara adalah getaran mekanik suatu material. Materi dapat seperti udara (bunyi udara), air (bunyi air) atau benda pejal (bunyi benda pejal). Suara melalui media udara disampaikan ke telinga. Gambar 1 menunjukkan bagaimana sumber suara membangkitkan suara dan ini oleh misalnya udara dirambatkan. Untuk keperluan
ini
sebuah
plat
yang
dapat
melenting
dipasangkan pada satu titik dan selanjutnya didorong dengan sebuah pukulan agar bergetar. Melalui itu
plat
menjadi pembangkit suara dan menekan udara didepannya bersama, sehingga terjadi tekanan lebih (titik 2 pada Gambar 1). Pada getar balik dari plat (titik 4 pada Gambar 1), plat akan merenggangkan partikel uadara, sehingga terbangkitlah tekanan kurang. Sumber bunyi segera akan mempengaruhi lingkungan sekitarnya dengan tekanan lebih dan tekanan kurang untuk bergetar. Partikel udara akan saling pukul dengan partikel didekatnya, sehingga getaran sebagai sumber bunyi merambat pada media udara. Hal ini dapat dilihat, bahwa partikel
pukulan 1
2
3
4
udara
5
melalui
penebalan penebalan udara
ambil
satu
penipisan
penipisan udara
Terbangkitnya
dengan
penebalan
dan
penebalan partikel
berdekatan,maka
waktu
1.1.
secara
fluktuasi tekanan periodik. Jika kita
penebalan udara
Gambar
penipisan
periodis dari posisi diam menyebabkan
penipisan udara
tekanan normal
dan
penyimpangan
suara
penipisan
yang
diperoleh
satu
penuh,
gelombang
suara.
udara
getaran
yang
disebut
Karena
partikel
sumber
merambat kearah yang sama,
partikel udara
2
satu
udara
gelombang
dari
dan
suara
Perekayasaan Sistem Audio
(bergetar sepanjang arah rambat) maka disebut sebagai gelombang panjang atau gelombang longitudinal. Jika partikel udara bergetar tegak lurus dengan arah rambat, maka disebut sebagai gelombang transversal (Gambar 2). Catatan :
Setiap gelombang suara secara ruangan merupakan gelombang longitudinal
Setiap getaran ditandai dengan dua besaran, yaitu frekuensi dan amplitude. Hal ini juga berlaku untuk gelombang
waktu
suara. Maka dalam gelombang suara
a
juga dibicarakan frekuensi. Amplitudo disini menentukan besarnya tekanan b
suaran.
waktu
Gambar 1.2. Gelombang transversal (a) dan gelombang longitudinal (b)
Catatan :
Besaran gelombang suara .a) Frekuensi .b) Amplitudo
1.2.
Tekanan Suara
Frekuensi bunyi Frekuensi bunyi menyatakan, berapa banyak
penebalan
partikel
udara
dan
dalam
penipisan satu
detik
berurutan satu sama lain. Banyak ayunan tekanan tiap satuan waktu disebut frekuensi dan akan diamati sebagai Gambar 1.3. Frekuensi
tinggi
nada.
Frekuensi
akan
menentukan tinggi nada yang didengar
dan
telinga.
rendah
3
Perekayasaan Sistem Audio
Telinga manusia dapat mengenal getaran suara antara kira-kira 16Hz dan 16kHz sebagai nada. Semua yang terletak dalam daerah ini disebut sebagai frekuensi nada dan suara dalam daerah frekuensi suara yang dapat terdengar. Daerah frekuensi pada daerah ini disebut sebagai daerah pendengaran. Catatan :
Nada akan semakin tinggi, jika semakin tinggi frekuensi dari gelombang suara.
Getaran daerah infra
daerah pendengaran
1
10 18100
1k
frekuensi
16Hz
disebut sebagai suara infra atau infra daerah
sonic . Suara infra tidak lagi dapat
ultra sonic
sonic
dibawah
10k 20k 100k
f [Hz]
Gambar 1.4. Daerah frekuensi suara
dirasakan
sebagai
melainkan
sebagai
sebuah
nada,
pukulan
atau
goyangan.
Untuk getaran mekanik diatas 20kHz disebut sebagai suara ultra atau ultra sonic . Suara ini hanya bias didengar oleh beberapa macam binatang, misalnya anjing, tikus dan lain-lain. Dalam teknik yang disebut suara ultra sampai dengan 10MHz, ini tidak dapat didengar oleh telinga manusia tapi untuk keperluan tertentu misalnya untuk menguji material atau dalam bidang kedokteran dan lainnya. Simbol besaran frekuensi f dan dengan satuan Hertz (Hz) f =
1.3.
1 T
T = waktu untuk 1 periode dengan satuan s (detik)
Tekanan bunyi
Gelombang bunyi merambat dalam suatu medium melalui penebalan dan penipisan yang periodis. Penebalan suatu materi berarti sama dengan penaikan tekanan, penipisan berarti sama dengan pengurangan tekanan dibanding dengan tekanan normal dalam keadaan diam. Pada penyebaran suara , seperti dalam udara, tekanan normal udara diubahg secara periodis
dalam irama
gelombang suara. Yaitu tekanan saat diam dari udara ditumpangi tekanan yang berubah. Tekanan berganti suara ini disebut sebagai tekanan suara p.
4
Perekayasaan Sistem Audio
Catatan :
Tekanan suara p merupakan tekanan berganti yang tergantung pada tempat dan waktu.
Tekanan suara kecil = kuat suara rendah Tekanan suara besar = kuat suara tinggi Dalam fisika didefinisikan : tekanan menunjukkan, berapa besar tenaga yang berpengaruh secara tegak lurus diatas sebuah luasan. Atau dalam rumusan : tekanan=
p =
tenaga luasan
F A
Satuan tekanan disebut pascal (Pa) 1Pa = 1
N
N = Newton
m2
Besaran yang digunakan dalam akustik 1 bar = 0,1
N
µ (mikro) = 10-6
m2
Gambar 1.4. Ilustrasi tekanan bunyi 1µbar. Daerah tekanan suara yang dapat didengarkan sangat lebar. Dalam praktiknya perbandingan tekanan bunyi dalam ukuran logaritmis. Hal ini memiliki kelebihan,mudah dalam menghitung, seperti dalam perkalian akan berubah menjadi penjumlah dan pembagian menjadi pengurangan. Ukuran logaritmis sebuah perbandingan dalam satuan Bell. Bell ini diambil
dari
Alexander
nama
Graham
ilmuwan Bell
Amerika
(1847-1922).
bernama Karena
ukurannya yang kecil dan menghindarkan banya kom maka digunakan satuan desi Bell (dB), atau seper sepuluh satuan dasar. Dalam
5
Perekayasaan Sistem Audio
akustik berawal dari ambang dengar, dimana telinga mulai mendengar dengan po=210-4µbar,ini yang dimaksud denga level suara absolut. Sebuah pabrik yang memiliki tekanan suara
sebesar
2µbar
maka
kalau
diukur dengan Sound Level Meter akan menunjukkan sebagai berikut : .p=2µbar ; po=210-4µbar p p = 20 log po
6
20 log
2 bar 2 10 4 bar
80dB
Perekayasaan Sistem Audio
1.4.
Penyebaran bunyi
Bunyi dapat menyebar dalam bahan padat, cairan dan bahan gas.Kecepatan penyebaran bergantung dari ketebalan medium, seperti diperlihatkan oleh tabel. Tabel 1.1: Kecepatan penyebaran bunyi Bahan
Kecepatan c dalam m/s
Gelas
5500
Besi
5000
Tembok
3500
Kayu
2500
Air
1480
Gabus
500
Udara (20o)
344
Karet (lunak)
70
Semakin tebal dan semakin elastis mediumnya, akan semakin lambat molekul dapat menyebarkan bunyi. Dan dalam ruang hampa udara, juga bunyi tidak dapat merambat. Penyebaran bunyi dalam udara bergantung pada temperatur udara.
c = 331,4
m s
+ 0,6
m
.T s oC
C = Kecepatan penyebaran T = Temperatur udara (°C) Dalam akustik pada utamanya tertarik pada penyebaran suara dalam udara. Penyebarannya sangat tergantung pada temperature seperti ditunjukkan pada Tabel 1.2 berikut ini.
7
Perekayasaan Sistem Audio
Tabel 1.2 : Penyebaran Suara dalam Udara Temperatur
Kecepatan c dalam m/s
-30°C
302,9
0°C
331,8
10°C
338
20°C
344
30°C
349,6
100°C
390
Selain dipengaruhi oleh temperatur, kecepatan rambat suara juga dipengaruhi oleh tekanan udara dan kandungan karbondioksida. 1.5.
Panjang gelombang Jika sebuah getaran menyebar dalam sebuah
media
sebagai
gelombang
pada posisi tertentu, dalam jarak yang sama
pada
keadaan
getaran
bersangkutan misalnya : Jarak antara ketebalan terbesar dari molekul
udara.
Jarak
ini
disebut
dan
frekuensi
panjang gelombang Gambar 1.6 Panjang gelombang Antara kecepatan penyebaran bunyi c, panjang gelombang sebuah suara terdapat hubungan seperti berikut :
c = 331,4
m s
+ 0,6
m
.T s oC
c = kecepatan bunyi dalam m/s
= panjang gelombang dalam m f = frekuensi dalam Hz
8
Perekayasaan Sistem Audio
Pada tabel 1.3 diperlihatkan panjang gelombang pada frekuensi yang berbeda dalam frekuensi pendengaran. Perbedaan panjang gelombang pada daerah pendengaran antara 21,5m sampai 1,72cm. Data ini sangat penting misalnya untuk membuat kotak loudspeaker. Tabel 1.3 : Panjang gelombang Panjang gelombang dalam m
Frekuensi f dalam Hz 16
21,5
100
3,4
800
0,43
1.000
0,34
5.000
0,069
10.000
0,034
20.0000
0,0172
1.6 Akustik ruangan Dalam akustik ruangan merangkum semua problem penyebaran bunyi dalam ruangan yang tertutup. Didalam ruang bebas yang absolut, bunyi menyebar dari sumber bunyi berbentuk bola. Gambar 1.7 memperjelas hubungan ini. Sumber bunyi membangkitkan pulsa bunyi. (misal, lamanya 4 detik), bunyi Q
H
mencapai
titik
dengar
H
setelah
beberapa saat. Selain terlambat juga P (Q)
P(H)
amplitudonya kecil. Intensitas bunyi menurun dibanding dengan kuadrat
2
4
6
8
10
waktu
2
4
6
8
10
waktu
jaraknya.
Sedang
bentuk
pulsanya
sama dengan pulsa sumbernya.
Gambar 1.7. Rambatan suara dalam ruang bebas
9
Perekayasaan Sistem Audio
Pada Gambar 1.8 diperlihatkan,jika misalnya ada sebuah didinding pantul, maka pada titik penerima (titik H) akan terdapat penjumlahan antara suara langsung dengan suara dari lintasa tak langsung. Pada detik ke 6 dan ke 8 terdapat penguatan suara. Hal ini memiliki efek baik,karena ada penaikan level suara,tetapi juga menimbulkan keburukan,yaitu adanya gema (detik ke 8 -10). Hal ini baik jika hanya beberapa derajat tertentu.
titik pantul dinding lintasan suara tak langsung
H
Q lintasan suara langsung P(Q)
P(H) Suara di titik H Suara dari lintasan langsung 2 4 6 8 10
t
2 4 6 8 10
t
2 4 6 8 10 Dt
t
P(H)
Suara di titik H Suara dari lintasan tak langsung
Penjumlahan suara di titik H
P(H) gema
2 4 6 8Dt10
t
waktu gema
Gambar 1.8. Hubungan suara lintasan langsung dan tak langsung.
10
Perekayasaan Sistem Audio
Untuk pidato dan musik cepat, gema yang panjang dapat mengaburkan informasi. Untuk reproduksi pidato dalam
ruangan
menengah informasi
dan yang
dengan untuk
volume kejelasan
baik,maka
waktu
gema sekita 0,8detik. Musik
yang
direproduksi
dalam
ruangan yang sangat sedikit waktu Gambar
1.9.
Waktu
gema
dalam
gema,akan
bunyinya
akan
“mati”.
Gema akan memperbaiki kualitas
keterpengaruhan dengan volume ruang
musik dengan waktu gema antara 1,5 sampai 2,5detik. Pada Gambar 1.9 diperlihatkan waktu gema yang rendah untuk bermacam-macam ruangan. Dalam ruangan yang memiliki dinding paralel akan timbul pula gema yang bergetar (Flutter Echo). Pada ruangan yang demikian, suara akan berpantul bolak-balik. Untuk menghilangkan efek gema dalam ruangan, maka digunakan bahan dinding yang dapat menyerap suara. Hanya sayangnya tidak ada bahan yang dapat menyerap suara untuk keseluruhan daerah frekuensi. Maka digunakan beberapa bahan yang kemudian dikombinasi. Terdapat dua grup bahan penyerap suara. Pertama, bahan berpori-pori, bahan ini seperti karpet, pelapis furnitur,tirai, glass woll dan sebagainya. Pada bahan ini suara akan menerobos masuk dalam poripori, semakin tinggi frekuensi semakin baik. Kedua, bahan berosilasi, penggunaan kayu lapis, hardboard dan panel kayu, dinding furnitur dan lainnya. Melalui beberapa permukaan datar dan licin suara berfrekuesi tinggi akan dipantulkan. Pada frekuensi rendah bahan ini dirangsang untuk bergetar. Dalam hal konsumsi energi,
11
Perekayasaan Sistem Audio
TUGAS 1
Lakukan percobaan berikut ini Alat
: Batang penggaris mika 30cm 4cm
Tindakan 1:
2cm
a. Jepit penggaris dengan ibu jari tangan kiri di bibir meja, tarik ujung atas dengan jari sejauh 4cmm meja
meja
b. Lakukan hal yang sama dengan a
1
angka 1, tetapi ujung atas ditarik
b
sejauh 2cm. 4cm
Tindakan 2: 4cm
a.
m
Lakukan lanjutkan
c
percobaan
seperti
1a,
dengan
percobaan
penggaris
diturunkan
m 7 2
berikut:
c
meja
meja
5 1
a
2
b. Panjang
menjadi 15cm saja diatas meja,
b
tarik ujung penggaris sejauh 4cmm
Kesimpulan : ……………………………………………...……………………………. …………………………….………………………..……………………………………… …………………………….………………………..……………………………………… …………………………….………………………..……………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………
12
Perekayasaan Sistem Audio
TUGAS 2
Lakukan percobaan berikut ini : Generator fungsi (FG) Zo=50
Alat
Loudspeaker 5” dengan ring karet Gambar
Tindakan 1: a.
Atur
generator
fungsi
dengan
bentuk gelombang sinus, amplitudo 5Vpp, frekuensi 1kHz. b.
Ubah frekuensi menjadi 100Hz Tindakan 2
Dengan frekuensi 100Hz ubah amplitudo kecil dan besar, perhatikan gerakan membran. Tindakan 3: Atur frekuensi dari paling rendah naik terus sampai frekuensi sedikit diatas 20kHz. Catat mulai dari frekuensi berapa dapat mendengar suara, dan sampai frekuensi berapa mulai tidak mendengar
Kesimpulan
:
Tindakan 1
……………………………………………...…………………………….
…………………………….………………………..……………………………………… …………………………….………………………..……………………………………… Tindakan 2
……………………………………………...…………………………….
…………………………….………………………..……………………………………… …………………………….………………………..………………………………………
13
Perekayasaan Sistem Audio
Tindakan 3
……………………………………………...…………………………….
…………………………….………………………..……………………………………… …………………………….………………………..………………………………………
PERTANYAAN
S/B
1. Bunyi dibangkitkan dari getaran suatu materi 2. Besaran bunyi ada dua yaitu frekuensi dan amplitudo 3. Getaran suara menyebar melalui media, maka ketika di dalam ruang hampa kita dapat mendengarkan bunyi. 4. Rumus untuk menghitung frekuensi f = 1 X T 5. Frekuensi suara yang dapat didengar antara 20Hz-20kHz 6. Tekanan bunyi 0dB memiliki tekanan sebesar 2x10 -4bar 7. Tekanan bunyi maksimum disebut pula dengan ambang dengar. 8. Suara merambat pada gelas lebih cepat dari pada merambat dalam air. 9. kecepatan penyebaran bunyi dalam udara pada temperatur 20oC adalah 433m/s 10. Anda melihat
sebuah kilat dikejauhan, setelah mata petir
berjalan 3 detik sampai guruh itu tiba pada anda, maka jarak guruk itu sekitar 1km
14
Perekayasaan Sistem Audio
Psikoakustik Telinga Manusia
K OMPE OMPE TENS I INTI (KI-3) (KI-3)
K OMPE OMPE TENS I INTI (KI-4) (KI-4)
Kompetensi Dasar (KD):
Kompetensi Dasar (KD):
2. Memahami psikoakustik anatomi
2. Mendimensikan Mendimensik an
batas
daerah dengar telinga manusia
telinga manusia Indikator:
Indikator:
2.1. Menjelaskan anatomy dan dan fungsi
2.1.
telinga manusia. 2.2. Memahami anatomy dan fungsi
ambang
Mencontohkan Mencontohkan
gambar
anatomitelinga
untuk
menjelaskan
telinga manusia. 2.3. Memahami
ambang
psiko-akustik
telinga manusia. batas
2.2.
daerah dengar sensasi telinga
Menguji
kepekaan
telinga
terhadap perubahan frekuensi
manusia.
dan amplitudo sumber suara.
2.4. Menginterprestasikan Menginterprestasikan level level suara
2.3.
dalam satuandecibel (dB).
Menguji
dan
mendemontrasikan
2.5. Menginterprestasikan Menginterprestasikan level level suara
ambang
batas daerah dengar sensasi
dalam satuandecibel (dB-SPL)..
telinga manusia. 2.4.
Mengukur level suara dalam satuan
decibel
media
dan
(dB)
dalam
karakteristik
lingkungan yang berbeda. 2.5.
Mengkonversi Mengkonversi
level
suara
dalam satuan decibel (dB-SPL) dalam media dan karakteristik lingkungan yang berbeda.
15
Perekayasaan Sistem Audio
2.Psikoakustik Telinga Manusia 2.1
Anatomi dan fungsi telinga manusia
Manusia mendengarkan suara dengan telinganya. Dalam telinga getaran suara diubah menjadi perasaan terhadap suara, yang di otak akan menimbulkan efek suara subyektif. Secara anatomi, telinga manusia terdiri dari 3 bagian, telinga luar, telinga tengah dan telinga dalam. Telinga luar berfungsi untuk menangkap suara, yang kemudian dilalukan ke telinga tengah dan terakhir ke telinga dalam, yang sesungguhnya sebagai organ Gambar 2.1 Susunan telinga
pendengaran.
Telinga luar yang terdiri dari daun telinga, karena bentuknya sangat baik untuk mengetahui arah dari mana suara datang. Pada telinga tengah yang berupa tabung, karena dimensinya, menyebabkan penerimaan yang baik pada frekuensi 3.000Hz. Pada telinga tengah ini mengubah tekanan udara menjadi gerakan mekanis. “Mekanik “ terdiri dari “Palu, landasan, sanggurdi.dengan hubungan yang elastis bagian ini mengakibatkan ketidak linieran dari perasaan bunyi yang didengar, maksudnya : Frekuensi tertentu dilakukan lebih baik dari yang lain. Pada tekanan bunyi yang besar timbul cacat. Telinga tengah yang dimulai gendang telinga, Getaran mekanis diubah menjadi pulsa listrik, yang mana oleh urat syaraf dialirkan ke otak. Pulsa listrik ini mengakibatkan mengakibatkan penekanan subyektif kuat suara dari bunyi. Dengan melalui sekitar 24.000 saraf yang satu sama lain terisolasi, menghubungkan pulsa listrik yang didapat ke otak. Maka telinga manusia dapat membedakan sekitar 3.000 tingkatan nada, jika dibandingkan dengan piano hanya memiliki 84 nada dan orgen memiliki 108 nada.
16
Perekayasaan Sistem Audio
2.2Ambang dengar dan batas sakit Telinga manusia mempunya kepekaan yang luar biasa, selain mampu membedakan nada juga kuat suara. Serta dengan kemampuan Dengan kemampuan
menangkap
frekuensi
dari
16Hz
hingga
20.000Hz,telinga
mempunyai kepekaan terbesar, ditentukan oleh susunannya, dalam jangkauan frekuensi dari 1.000Hz sampai 4.000Hz. Ambang dengar pada 1.000Hz berharga 2 10-4µbar dan maksimum telinga dapat mendengar (batas sakit) berharga 200 µbar.Dengan demikian telinga mengamati tekanan bunyi dari 2.10 -4µbar sampai 200µbar atau dalam perbandingan telinga memiliki daerah kepekaan 1:1.000.000 Catatan :
Ambang dengar po=210-4µbar; batas sakit p1=200µbar, maka : 2 10-4 b ar 200 b ar
2.3.
1 1.000.000
Kuat Suara
Daerah tekanan suara yang bisa didengar antara ambang dengar dan batas sakit memiliki 1:10 6 dan ini sangat lebar. Dalam prakteknya,perbandingan ini tidaklah linear,melainkan dalam ukuran logatimis. Ukuran logaritmis dari sebuah perbandingandiberi satuan Bell, supaya tidak timbul koma dalam pengukuran dan perhitungan maka satuan yang digunakan desi Bell (dB) atau seper sepuluh dari satuan dasar. Desi Bell (dB) merupakan satuan untuk perbandingan, perbandingan ini digunakan referensi standar yang berbeda. Sebagai contoh, dBV digunakan untuk referensi 1Volt, dBm digunakan untuk reverensi 1miliWatt. Dalam audio atau akustik digunakan dB SPL (Sound Pressure Level) sebagai adalah ambang dengar dengan tekanan suara p o=210-4µbar, besaran ini juga disebut sebagai level suara absolut. 0dB SPL merupakan ambang pendengaran bagi kebanyakan telinga manusia. p L 20 log po
.L
= level suara dalam dB
.p
= tekanan suara
.po =tekanan bunyi pada ambang dengar 2 10-4µbar Batas sakit pada 1.000Hz dengan tekanan suara p=200 µbar terletak sekitar 120dB diatas ambang dengar.
17
Perekayasaan Sistem Audio
Manusia tidak merasakan tekanan suara,yang sebenarnya secara fisika dapat diukur, tetapi kuat suara. Hubungan antara kepekaan telinga terhadap kuat suara dengan intensitas suara dengan pendekatan hubungan logaritmis (hukum Weber-Fechne). Oleh karena itu, seperti telah ditetapkan level bunyi absolut, yang karena ukurannya yang lagaritmis maka digunakan juga sebagai ukuran kuat suara. Yang juga harus diperhatikan, sensitifitas kuat suara telinga manusia sangat tergantung dengan frekuensi suara (Gambar 2.2). Oleh
karena
itu,
transisi
dari
level
suara
bergantung
frekuensi pada kuat suara
didasarkan
pada
frekuensi
tertentu
yang
ditetapkan.
Secara
internasional, ditetapkan Gambar
2.2.
Ketergantungan
tekanan
suara
dan
frekuensi
1.000Hz.
frekuensi
L/dB = /Phon p 20 log po
.L
= level suara absolut dalam dB
= kuat suara dalam phon
.p
= tekanan suara
.po = tekanan bunyi pada ambang dengar 210-4µbar Kuat suara merupakan logaritma dari faktor perbandingan terhadap tekanan suara pada ambang dengar. Satuan dari kuat suara adalah Phon ( huruf besar yunani untuk lamda)
18
merupakan
Perekayasaan Sistem Audio
Catatan :
Kuat suara dalam Phon sesuai dengan level suara absolut dalam dB pada frekuensi 1.000Hz
Dari Gambar 2.2 terlihat bahwa pada kuat suara yang rendah (60Phon kebawah), untuk dapat mendengar sama kerasnya, maka suara dengan frekuensi rendah dan tinggi harus dikuatkan lebih t inggi dari frekuensi tengahnya. Pada kuat suara yang tinggi (70 Phon keatas), kuat suara merata pada semua daerah frekuensi. Berdasarkan sifat tersebut,maka pada penguat suara untuk mengatur kuat suara dikenal dengan pengaturan kuat suara dengan loudness. Pengaturan kuat suara sesuai psikologis 2.4.Pengaturan kuat suara sesuai pendengaran Kuat suara dalam mendengarkan konser, pembicaraan dan sebagainya dalam hall atau dalam ruangan bebas berkisar 70 Phon. Perasaan terhadap kuat suara hampir datar, Lihat gambar kurva pada gambar 2.2. Semua suara dalam daerah frekuensi dir paya timbul tekanan pendengaran yang sama, suara berfrekuensi tinggi dan rendah asakan sama kuatnya. Kita dengarkan sebuah konser atau pembicaraan dalam kamar melalui radio atau penguat, kuat suara akan berkisar sekitar 40 phon. Pada 40 phon pendengaran sangat bergantung pada frekuensi, maksudanya frekuensi tinggi dan rendah akan sedikit lemah didengar. Su pada kuat suara yang rendah harus direproduksi lebih kuat, dengan ini dicapai pengaturan kuat suara sesuai pendengaran pada radio atau penguat. Phon 70
kurva koreksi
40
kurva yang telah dikoreksi untuk 40Phon
40Phon 1kHz
f
Gambar 2.3 Skematis “ Pengaturan kuat suara sesuai pendengaran”
19
Perekayasaan Sistem Audio
Tinggi nada, warna bunyi Frekuensi dari sebuah getaran bunyi dirasakan oleh pendengaran sebagai tinggi nada. Frekuensi terendah yang terdengar terletak pada 16 Hz, sedang yang tertinggi pada 10 sampai 20 KHz, ditengah pada 16 KHz. Batas dengar atas menurun dengan bertambahnya umur, karena kendang telinga, sambungan palu, amboss dan sebagainya telah mengeras.
100
f=8kHz
% 80 60
f=12kHz 40
f=16kHz 20 0
20
30
40
50 Usia
60
70 Tahun
Gambar 2.4 Penurunan perasaan mendengar untuk frekuensi tinggi dengan bertambahnya usia. Antara perasaan terhadap tinggi suara dan frekuensi bunyi terdapat hubungan logaritmis, sesuai seperti antara kepekaan kuat suara dan tekanan bunyi. Dalam akustik dan dalam musik daerah pendengaran seluruhnya dari 16Hz sampai dengan 16kHz dibagi dalam bagian-bagian. Frekuensi tertinggi dan terendah berbanding 2 : 1 , yang dinamakan oktav.
16 32 64
128
256
512
1024
2048
4096
16384
8192 f (Hz)
1oktav
Frekuensi bawah
G ambar 2.5. Perbanding an frekuens i 2 : 1.
20
Frekuensi atas
Perekayasaan Sistem Audio
fo fu Banyaknya oktav log 2 log
= (Eta) Banyaknya oktav
fo = Frekuensi atas fu = frekuensi bawah
Pada musik atau reproduksi pembicaraan hanya dalam kejadian khusus direproduksi frekuensi murni. Lebih banyak reproduksi dari campuran suara dimana terdapat nada dasar dan perbanyakan nada dasar yang disebut dengan hamonisa. Nada dasar dan hamonisa menimbulkan bunyi. Bagaimana bunyi berbunyi (warna bunyi) ditentukan oleh hitungan dan amplitudo harmonisa. Harmonis adalah, yang memungkinkan instrumen, pembicaraan dsb berbunyi berlainan. Biola
f = 300Hz
Biola
600Hz
Flote
300Hz
Oboe
400Hz
Saxsopone 300Hz Trompet
250Hz
Trompet kayu 400Hz 250Hz Tuba
Naviri
500Hz
Piano
250Hz
Harpa
500Hz 1000
2000
3000
4000
Panjang garis menunjukan kuat suara dari harmonis a
5000
6000
7000
8000
Hz
Gambar 2.6. Harmonisa instrumen musik 2.5.
Hubungan dari sumber-sumber bunyi
Secara bersama-sama beberapa sumber bunyi dijalankan, maka intensitas keseluruhan secara penekatan sama dengan jumlah intensitas bunyi sendirian. Dengan demikian secara umum naik juga kuat suara yang dirasakan.Pada dua sumber bunyi yang sama kuatnya intensitas keseluruhannya akan lebih besar dari level sinyal sekitar 3 dB lebih tinggi dari sumber sinyal sendirian.
21
Perekayasaan Sistem Audio
Catatan : Dua sumber bunyi yang sama kerasnya membangkitkan kuat suara keseluruhan, yang sekitar 3 phon lebih tinggi dari kuat suara sendirian.
Ini tidak hanya berlaku untuk sumber suara yang lemah (misal phon, total = 33 phon), melainkan juga untuk yang keras ( 1 =
1 = 2 = 30 2 = 80 phon,
total = 83 phon) Gambar 2.7. Kuat suara keseluruhan 100
pada dua kuat suara yang berlainan.
80
Gambar
1
60
menunjukkan
kuat
tot
keseluruhan 40
suara dalam
ketergantungan waktu t, jika kuat suara
20 0
t
yang konstan
1
suara
menaik.
yang
Gambar 2.7. . Suara keseluruhan pada
potongan 1 dan
dua kuat suara yamg berlainan
sama besar
dan sebuah kuat Pada
titik
2 dimana keduanya maka tot sekitar 3 phon
lebih tinggi dari kuat suara sendirian. Phon
Pada waktu yang lain kuat suara
6
keseluruhan hampir tidak lebih besar
5
dari
4
pada
yang
lebih
besar
dari
keduanya.
3 2
Gambar 2.8 menunjukkan , sekitar
1
berapa phon kuat suara dinaikkan, jika
00
2
4
10 6 8 Jumlah sumber suara
Gambar 2.8 Kenaikan kuat suara pada
beberapa sumber bunyi yang sama kuatnya bekerja bersama
sumber bunyi yang sama kuat.
22
Perekayasaan Sistem Audio
2.6.Pendengaran secara ruangan Dengan telinga kita tidak hanya mendengar kuat suara atau warna bunyi dari sebuah bunyi. Karena berpasangannya alat pendengar, sehingga dapat untuk menentukan arah dan jarak. Orang menamakan kemampuan ini dengan kemampuan melokalisir
dan
berbicara tentang pendengaran secara ruangan. Melokalisir sebuah sumber bunyi tanpa melalui penglihatan dapat dibagi atas tiga daerah utama : - Jarak (dekat - jauh ) lokalisir kerendahan - Arah dalam bidang tegak lurus (atas-bawah) lokalisisr ketinggian - Arah dalam bidang kesetimbangan (kanan-kiri) lokalisisir sisi. Paling baik mengembangkan adalah daya melokalisir sisi. Kemampuan memilah kanan-kiri ini karena letak kedua telinga dengan jarak kira-kira 21 cm. Jika ada bunyi berada agak disebelah kiri, maka telinga kiri akan mendengar lebih kuat dibandingkan telinga sebelah kanan.
Arah bunyi
P
Dengan
P
demikian
pada
peninjauan
terdapat kejadian bunyi antara telinga t
t 21cm
kanan-dan kiri tidak hanya sebuah perbedaan waktu berjalan t melainkan juga perbedaan intensitas bunyi.
Gambar
2.9.Intensitas
bunyi
dan
perbedaan waktu berjalan
23
Perekayasaan Sistem Audio
Stereophoni perekaman
pada
dasarnya
reproduksi
pada bunyi
memperhatikan “efek kanan-kiri” ini.
Gambar
2.10.
Prinsip
pemindahan
stereo
24
Perekayasaan Sistem Audio
TUGAS 1
Alat
: Sound Level Meter
Lakukan pengukuran kebisingan pada ruang-ruang berikut ini : Ruang
Level Bising (dB)
Ruang Kepala Sekolah Ruang Tata Usaha Kelas Teori (kosong) Kelas Teori (ada siswa, tiada guru) Bengkel …………….. Bengkel …………….. Bengkel ……………..
Kesimpulan
: ……………………………………………...………………………
…….…………………………….………………………..………………...……… …….…………………………….………………………..………………...……… …….…………………………….………………………..………………...………
25
Perekayasaan Sistem Audio
TUGAS 2
Alat
: Pemutar lagu : Penguat Suara
Putarlah lagu dengan volume lemah sekitar 10% putaran tombol volume, selanjutnya putar tombol volume 30%, dan terakhir putar tombol volume 60% dari putaran penuh. Perhatikan nada-nada bass trebel dan vokal Posisi tombol volume
Pengamatan keterdengaran nada bass trebel vokal
10% 30% 60% Kesimpulan
: ……………………………………………...……………………
…….…………………………….………………………..………………...……… …….…………………………….………………………..………………...………
26
Perekayasaan Sistem Audio
TUGAS 3
Lakukan percobaan berikut ini Alat
: Generator fungsi (FG) Zo=50 Loudspeaker (bisa yang aktif) gambar
Tindakan : a.
Atur
generator
bentuk
fungsi
gelombang
amplitudo
disesuaikan
dengan sinus, tidak
terlampau keras, frekuensi 1kHz. b.
Ubah-ubahlah bentuk gelombang dari sinus ke segi tiga terus ganti kotak.
Perhatikan
bunyi
pada
bentuk gelombang yang berbeda. Kesimpulan
: ……………………………………………...……………………
…….…………………………….………………………..………………...……… …….…………………………….………………………..………………...………
27
Perekayasaan Sistem Audio
PERTANYAAN
S/B
1. Kepekaan telinga cukup baik pada frekuensi diatas 10kHz. 2. Ambang dengar telinga pada 2·10 -4 bar 3. Sound Level meter menunjukkan nilai 20dB, artinya tekanan bunyinya sebesar 2·10 -3 bar 4. Dengan pengaturan nada yang datar dan volume suara yang lemah, maka nada bass akan sangat menonjol terdengar. 5. Kemampuan dengar yang paling cepat menurun dengan bertambahnya usia adalah suara frekuensi tinggi. 6. Pembagian
frekuensi
dengan
besaran
16,32,64
dst,
memperlihatkan bahwa daerah frekuensi itu dibagi secara oktav. 7. Yang menyebabkan berbedanya warna bunyi adalah frekuensi dasar. 8. Dua sumber suara jika masing-masing berbunyi dengan kuat suara sebesar
1=40Phon
dan
2=20Phon,
maka secara
keseluruhan akan dominan terdengar sumber bunyi
1.
9. Kemampuan memenentukan asal suara karena selain bentuk telinga juga letak kedua telinga tersebut. 10. Karena kemampuan telinga dalam menentukan arah datang suara, maka dalam sistem audio sangat baik dikembangkan sistem monophonik.
28
Perekayasaan Sistem Audio
Mikrophon
K OMPE TENS I INTI (KI-3)
K OMPE TENS I INTI (KI-4) Kompetensi Dasar (KD):
Kompetensi Dasar (KD): 4. Menerapkan instalasi macammacam tipe mikrofon pada sistem akustik
4. Menguji mikrofon pada sistem akustik pada posisi dengan level sumber bunyi yang berbedabeda
Indikator:
Indikator:
4.1.
4.1.
Menguji macam-macam mikrofon dan interprestasi karakteristik mikrofon berdasarkan hasil pengujian
4.2.
Memilih jenis dan tipe mikrofon sesui dengan kebutuhan sistem akustik suara.
4.3.
Memilih dan menempatkan Headset Microphones sistem akustik suara. Mendimensikan sensitivitas sebuah mikrofon berdasarkan spesifikasi data teknis. Memilih dan mendimensikan Boundry Microphones sistem akustik suara. Memasang mikrofon tanpa kabel (wireless microphone) pada sistem akustik suara.
4.2. 4.3.
4.4.
4.5. 4.6.
Menjelaskan terminologi karakteristik mikrofon sistem akustik suara. Mengklasifikasi mikrofon sistem akustik suara. Memahami konsep dasar struktur mikrofon berdasarkan tipenya. Menentukan sensitivitas sebuah mikrofon berdasarkan data teknis. Menjelaskan prinsip kerja macam-macam tipe mikrofon. Memahami sistem mikrofon tanpa kabel (wireless microphone) pada sistem akustik suara.
4.4.
4.5.
4.6.
4.7. Menginterprestasikan koordinasi frekuensi (frequency coordination) yang digunakan pada sistem mikrofon tanpa kabel. 4.8.
4.9.
4.7. 4.8.
Memahami kegunaan bodypack transmitters pada sistem mikrofon tanpa kabel. Menerapkan instalasi macammacam tipe mikrofon pada sistem akustik
4.9.
29
Mengetes frekuensi kerja mikrofon tanpa kabel. Mengeteskepekaan bodypack transmitters pada sistem mikrofon tanpa kabel. Menentukan tata letak sistem penerima dan antena (receivers and antennas) sistem mikrofon tanpa kabel
Perekayasaan Sistem Audio
4.
Instalasi macam-macam tipe mikrofon pada sistem akustik
Mikropon mengubah energi bunyi kedalam energi listrik dan dengan demikian mikropon sebagai penerima bunyi
sebaliknya yang merubah energi listrik
kedalam energi bunyi disebut Loudspeaker Dan dengan demikian sebagai pemancar bunyi. keduanya disebut pengubah elektro akustik (pengubah bunyi). Berdasarkan hukum fisika sebagian dapat digunakan berkebalikan, bahwa sebuah pengubah bunyi dapat bertindak sebagai mikropon ataupun loudspeaker seperti pada pesawat intercom. 4.1. 4.1.1.
Karakteristik mikrofon. Spesifikasi mikropon
Kepekaan Kepekaan sebuah mikropon adalah besar tegangan bolak-balik keluaran mikropon pada keadaan bunyi bebas dengan tekanan 1 µbar. Sebagai satuan diberikan mV/µbar (mili volt per mikro bar). Kepekaan mikropon bergantung frekuensi, sehingga besarnya frekuensi harus diberikan. Secara umum diambil frekuensi sebesar 1000 Hz. Kepekaan juga disebut “faktor pemindahan medan beban kosong” Faktor ini diukur dalam medan bunyi bebas dan tanpa beban. Menurut sistim SI, faktor pemidahan medan beban kosong tidak lagi ditarik atas 1 /µbar, melainkan 1N/m2 (newton 1mV//µbar = 10mV/Pa. Daerah frekuensi Daerah frekuensi atau daerah pemindahan aalah daerah dimana mikropon tanpa kerugian kepekaan dan tanpa cacat dapat mengubah gelombang bunyi kedalam sinyal listrik.
30
Perekayasaan Sistem Audio
Untuk perekaman musik, mikropon seharusnya mempunyai daerah frekuensi dari 40 Hz sampai 15 kHz dan tanpa perubahan kepekaan yang besar, sedang untuk percakapan cukup dari 200 Hz sampai 5000 Hz. Tanggapan frekuensi Tanggapan frekuensi atau kurva frekuensi menandakan keterpengaruhan frekuensi dari kepekaan. Pada pengukuran ini gelombang bunyi dengan frekuensi berlainan dijatuhkan tegak lurus dimuka mikropon dan tegangan keluarannya diukur. Faktor pemindahan a dalam dB yang sebelumnya mV/µbar, karena kurva frekuensi dengan level yang diambil berlaianan. Dimana
B
= kepekaan dalam V/µbar
Bo
= kepekaan patokan dari 1 V/µbar
Ketergantungan arah Sebuah mikropon tidak dapat mengambil bunyi dari semua sisi sama kuat, jadi tegangan keluaran bergantung arah dari mana bunyi datang. Ketergantungan ini digambarkan melalui sifat arah, ketergantungan arah menentukan kemungkinan penggunaan mikropon. Impedansi Untuk hubungan sebuah mikropon pada sebuah perangkat penguat atau pada sebuah peralatan pita suara adalah penting untuk mengenal impedansi listrik (juga dinamakan tahanan dalam atau impedansi sumber). Impedansi bergantung pada frekuensi, pada umumnya frekuensi 1000 Hz dalam satuan
dinyatakan pada
(ohm).
Tahanan hubungan seharusnya Juga dinamakan tahanan hubungan adalah hubungan semu, dengannya mikropon seharusnya dihubungkan. Pada tahanan hubungan yang kecil akan memperburuk sifat-sifat mikropon.
31
Perekayasaan Sistem Audio
Batas pengendalian lebih Batas pengendalian lebih adalah batas tekanan dimana mikropon masih bekerja dengan baik, maksudnya masih tanpa cacat. Mikropon dinamis dapat bekerja pada tekanan bunyi yang tinggi dan batas pengendalian lebih belum tercapai. Pada mikropon kondenser pernyataan ini diperlukan, pada pelanggaran batas yang disyaratkan akan mendatangkan cacat tidak linier dan dengan demikian faktor cacat akan naik. Batas pengendalian lebih ini diberikan dalam µbar atau pascal (Pa) 4.2.
Struktur dan prinsip kerja macam-macam tipe mikrofon.
4.2.1. Mikropon arang Konstruksi tergambar
dasar
mikropon
didalam
garis
arang puts-
putus.Jika gelombang bunyi mengenai elektroda
membran,
arang
akan
direnggangkan Gambar
4.1.
Kunstruksi
dasar
maka
serbuk
dipadatkan seirama
dan
gelombang
bunyi. Dengan demikian nilai tahanan
mikropon arang serbuk arang diantara kedua elektrodapun akan berubah-ubah Mikropon arang mengubah gelombang bunyi kedalam perubahan nilai tahanan. Arus searah dari baterai melewati tahanan maka
arang akan
yang
berubah-ubah
besarnya.
keluaran
arus akan
arus
searah,
4.2.
Rangkaian
mikropon
arang
32
bolak-balik maka
didapat
bolak-balik murni (U ). Gambar
pula
Transformator
akan.memisahkan dengan
berubah-ubah
pada
tegangan
Perekayasaan Sistem Audio
3
10
mV bar
1
10
125
500
1k
2k
4k
8k
Hz
Gambar 4.3. Potongan mikropon telepon (kiri) dan tanggapan frekuensi mikropon arang (kanan).
Data teknis :
Tahanan dalam
: 30 sampai 500
Kepekaan
: 100 mV/ bar = 1V/Pa pada 1000 Hz
Daerah frekuensi
: 800 Hz sampai 4000 Hz
Faktor cacat
: 20%
Tegangan catu
: antara 4V dan 60V
Keburukan
:desis
sendiri
besar,
faktor
cacat
bergantung suhu Kebaikan Penggunaan
: kepekaan tinggi : untuk perangkat bicara seperti telepon.
33
besar
sangat
Perekayasaan Sistem Audio
4.2.2. Mikropon elektromagnetis Konstruksi Gambar
dasar 4.4,
diperlihatkan Gelombang
oleh bunyi
menggetarkan membran. Maka celah udara antara membran dan kumparan berubah-ubah
mengakibatkan
rapat
medan berubah-ubah dan menginduksi tegangan bolak-balik dalam kumparan. Tegangan ini seirama dengan getaran Gambar 4.4. Simbol dan kunstruksi
gelombang bunyi.
mikropon elektromagnetis
Pada mikropon elektromagnetis penginduksian tegangan atas dasar perubahan celah udara. Karena tegangan yang diinduksikan masih kecil maka diperlukan penguat tambahan.
Gambar 4.5. Tanggapan frekuensi mikropon elektromagnetis (kiri) dan Bentuk mikropon elektromagnetis dari Sennheiser (kanan)
34
Perekayasaan Sistem Audio
Data teknis :
Tahanan dalam
: 2000
Kepekaan
: 100 mV/ bar = 1V/Pa pada 1000 Hz dengan penguat
Daerah frekuensi
: 300 Hz sampai 6000 Hz
Faktor cacat
: 10%
Tegangan bantu
: antara 4V dan 60V
Penggunaan
: Perangkat bicara, telepon, peralatan dengar, peralatan dekte.
4.2.3. Mikropon dinamik Mikropon dinamik dengan kumparan Pada
mikropon
dinamik
tegangan
bolak-balik dibangkitkan melalui induksi yang
sebanding
membran.
dengan
kecepatan
Gelombang
menggetarkan
membran
bunyi maka
kumparanpun akan bergerak tegak lurus terhadap arah medan. Sesuai dengan hukum induksi Gambar 4.6. Simbol mikropon dinamik
E = N
dan kunstruksinya
t
Induksi tegangan yang dihasilkan sebanding dengan kecepatan geraknya. Karena tahanan dalamnya kecil maka, tidak peka terhadap medan gangguan listrik, karena tegangan gangguan ini akan terhubung singkat. Atas dasar ini mikropon dapat dihubungkan pada penguat dengan penghubung yang panjang.
35
Perekayasaan Sistem Audio
Gambar 4.7. Tanggapan frekuensi sebuah mikropon dinamik (kiri) dan kanan beberapa bentuk mikropon dinamik, a) mikropon kerah MD214 b) mikropon studio MD421 c) mikropon komando MD430 (dari Sennheiser)
Data teknis :
Kepekaan
(induktip), dengan transformator terpasang 30 k : 0,2 mV/ bar = 2V/Pa pada 1000 Hz dengan penguat
Daerah frekuensi
: 500 Hz sampai 12.000 Hz
Faktor cacat
: 1%
Dinamik
: 60 dB
Kebaikan
:Tanpa tegangan bantu, hampir bebas cacat, daerah
Tahanan dalam
: 200
frekuensi lebar, tidak peka mekanis, lama hidup yang panjang, murah Penggunaan
: Selain untuk perangkat bicara juga untuk perekam musik
Mikropon pita Pada mikropon pita, antara kedua sepatu kutub dari magnet yang kuat terdapat pita tipis alumunium yang bergelombang. Pita yang berfungsi sebagai membran tebalnya 2 - 5
m
dan lebar 3 - 4mm (lihat Gambar 4.8). Gambar 4.8. Kunstruksi mikropon pita.
Getaran
gelombang
bunyi
menggtarkan pita. Pita bergetar dalam medan magnet maka akan diinduksi tegangan dalam pita itu.
36
Perekayasaan Sistem Audio
Tegangan yang terinduksi lebih kecil dari mikropon dengan kumparan. Tahanan pita berkisar 0,1
jika dengan transformator impedansinya dapat sebesar 200 .
Mikropon pita mempunyai daerah frekuensi yang lebar dan hampir konstan. Gambar tanggapan frekuensi dan contoh bentuk mikrophon pita diperlihatkan pada gambar 4.9.
dB 20 10 20 50 100 200
1k
2k 5k 10k 20k Hz
Gambar 4.9. Tanggapan frekuensi mikropon pita (kiri) dan contoh mikrophon pita
Data teknis : Tahanan dalam
: 0,1 (induktip), 200 dengan transformator
Kepekaan
: 0,08-0,2 mV/ bar = 0,8-2 mV/Pa pada 1000 Hz
Daerah frekuensi
: 50 Hz sampai 18.000 Hz
Faktor cacat
: 0,5%
Dinamik
: 50 dB
Keburukan
: Peka pukulan,mahal, bentuknya besar
Kebaikan
: Cacat kecil, daerah frekuensi lebar
Penggunaan
: Perekaman musik dan bicara dengan kualitas tinggi
4.2.4. Mikropon kristal
RL
U
Gambar 4.10. Kunstruksi mikropon kristal (kiri) dan rangkaian mikropon kristal
37
Perekayasaan Sistem Audio
(kanan) Pada mikropon kristal tegangan bolak-balik dibangkitkan dengan efek Piezo elektrik. Gelombang bunyi menggetarkan membran dan sekaligus menggetarkan plat kristal. Plat kristal yang bergetar pada permukaannya akan terbentuk pula perbedaan potensial diantara ujung-ujungnya. Oleh karena itu tegangan mekanis menimbulkan tegangan listrik (efek piezoelektrik). Tahanan dalam mikropon kristal dibentuk oleh kapasitas antara plat kristal (sekitar 1000 pF). Pada frekuensi batas bawah fb = 30 Hz mempunyai reaktansi sebesar kira-kira 5 M sehingga pada frekuensi rendah medan pengganggu tidak terhubung singkat karena tahanan dalamnya tinggi, maka hubungan mikropon dengan penguat tidak boleh terlalu panjang. Data teknis : Tahanan dalam
: 2…..5M (kapasitip)
Kepekaan
: 2 mV/ bar = 20 mV/Pa pada 1000 Hz
Daerah frekuensi
: 30 Hz sampai 10.000
Faktor cacat
: 1….2%
Dinamik
: 60 dB
Keburukan
: Harus dilindungi terhadap kelembaban dan panas.
Kebaikan
: Kecil, ringan , murah
Penggunaan
: Pada radio amatir, sebagai mikropon kecil
4.2.5. Mikropon kondenser Pada mikropon kondenser membran dan elektroda lawan membentuk kapasitas (kira-kira 100pF). Mikropon kondenser mengubah getaran bunyi melalui perubahan kapasitansinya kedalam getaran listrik.
Mikropon kondenser dalam rangkaian AF
38
Perekayasaan Sistem Audio
10nF 10nF
50M U
UDC 80...120V
Gambar 4.11. Konstrusi mikropon kondenser (kiri) dan rangkaian mikropon kondenser dalam rangkaian AF (kanan) Melalui tahanan depan tinggi (kira-kira 50M ) mikropon diberi tegangan searah pada sistem terdahulu sebesar 80-120V, tegangan 1,5-3V sudah bisa untuk mengoperasikan mikrophon kondenser.. Membran dalam keadaan tenang, tegangan pada mikropon sama dengan tegangan sumber. Arus tidak mengalir, sehingga pada tahanan depan tidak terdapat tegangan jatuh. Bila membran bergetar harga kapasitasnya berubah , saat perubahan kapasitas arus mengalir melalui
tahanan, karena adanya
pengisian dan pengosongan kapasitor. Arahnya tergantung jika kapasitas membesar berarti pengisian, jika mengecil berarti pengosongan. Arus yang mengalir adalah arus bolak-balik yang seirama dengan tekanan bunyi. Besarnya kapasitansinya dapat dihitung dengan rumus seperti berikut :
C = o · r
A d
Pada frkuensi rendah nilai tahanannya sangat besar, misalkan pada frekuensi 30Hz maka tahanan dalamnya (tahanan semu) sebesar :
39
Perekayasaan Sistem Audio
tahanan dalam yang tinggi sekitar 50 M
Mikropon kondenser mempunyai
sehingga peka terhadap gangguan. Keburukan dari rangkaian frekuensi rendah yang ditunjukkan diatas adalah diperlukan tegangan DC yang konstan dan besar. Rangkaian frekuensi tinggi, dimana mikropon disatukan dalam rangkaian osilator, tidak mempunyai keburukan diatas. Mikropon kondenser dalam rangkaian frekuensi tinggi Gambar 4.12 memperlihatkan rangkaian blok sebuah rangkaian frekuensi tinggi. Disini diperlukan perubahan kapasitansi dari mikropon kondenser, untuk mengubah frekuensi resonansi resonator dalam irama getaran suara. Sinyal frekuensi tinggi dimodulasi secara modulasi fasa. Didalam rangkaian demodulator FM yang dirangkaikan setelahnya akan diperoleh tegangan frekuensi rendah dari tegangan frekuensi tinggi yang termodulasi
fasa,
yang
kemudian
dikuatkan oleh penguat depan. Gambar
4.12.
rangkaian
blok
rangkaian frekuensi tinggi
Didalam rangkaian demodulator FM yang dirangkaikan setelahnya akan diperoleh tegangan frekuensi rendah dari tegangan frekuensi tinggi yang termodulasi
fasa,
yang
kemudian
dikuatkan oleh penguat depan. Gambar
4.12.
rangkaian
blok
rangkaian frekuensi tinggi
40
Perekayasaan Sistem Audio
Gambar 4.13. memperlihatkan contoh mikrphon kondenser dalam rangkaian frekuensi tinggi. Mikropon ini memiliki tahanan dalam yang rendah, sehingga bisa digunakan dengan kabel yang panjang. Gambar 4.13. Sebuah contoh mikropon
Gambar
kondenser jenis mikropon arah untuk
tanggapan frekuensi dari mikropon
studio
kondenser.
tipe
MKH
406
P
48
dari
4.14
Pada
memperlihatkan
Sennheiser 30
Karena
20
mikropon
10
digunakan di studio dan juga untuk
20 50 100 200
1k
2k 5k 10k 20k Hz
sifatnya
yang
kondenser
peralatan-peralatan
baik
maka
banyak
kecil
pula
sebagai
pengambil suara.
Gambar 4.14. Tanggapan frekuensi sebuah mikropon kondenser Data teknis : Tahanan dalam
: 10 sampai 250
Kepekaan
: 2 mV/ bar 20 mV/Pa pada 1000 Hz
Daerah frekuensi
: 20 Hz sampai 20.000
Dinamik
: 75 dB
Batas pengendalian
: 500 bar 50 Pa
4.2.6. Mikropon Elektret Mikropon
elektret
mikropon
kondenser
tegangan
arus
mempunyai
sifat
sama
seperti
hanya
searah seperti
tanpa .
Dan
mikropon
kondensator. Elektret adalah seperti kapasitor yang terisi dengan muatan
41
Perekayasaan Sistem Audio
Gambar 4.15. Kunstruksi mikropon
yang konstan.
elektret Membran elektret dan elektrode lawan membentuk kondensator dengan jarak plat d dan muatan Q gelombang bunyi yang mengenai membran mengubah jarak d, sehingga kapasitansi Co berubah pula, sehingga timbullah tegangan yang bolak-balik yang sebanding dengan gerakan membran.
Q U= C
U = tegangan yang dihasilkan Q = muatan kapasitor C = nilai kapasitansi
Tegangan ini diperkuat oleh penguat yang terpasang. Pada perkembangan berikutnya, elektret dan elektrode lawan dibalik, sehingga elektrode lawan berfungsi sebagai membran. Sehingga membran bisa dibuat lebih ringan.
Gambar 4.16. Contoh beberapa mikropon elektret Gambar 16a memperlihatkan mikropon elektret dalam beberapa tipe, dari paling atas; Pegangan dan modul catu daya M 3N untuk mikropon; Mikropon terarah ME 80, untuk pengambilan suara yang lemah dan jauh; Modul mikropon ME 40 dengan karakteristik arah; Kepala mikropon ME 20 dengan karakteristik bola. Sedang Gambar 16b, memperlihatkan mikropon elektret kerah mini, yang pengunaannya di klipkan pada kerah baju. Dan Gambar 4.17 memperlihatkan kurva karakteristik dari mikropon terarah ME 80 dengan modul K 3N.
42
Perekayasaan Sistem Audio
Gambar 4.17. Kurva frekuensi mikropon terarah ME 80 dengan modul K 3N
Data teknis : Impedansi listrik
: 15 k
Impedansi penghubung
: 1,5 k atau 600
Kepekaan
: 0,3 mV/bar = 3 mV/Pa pada 1000 Hz
Daerah frekuensi
: 50 Hz sampai 15.000Hz
Penggunaan
: Pada kaset rekorder, karena tidak peka getaran badan.
43
Perekayasaan Sistem Audio
TUGAS 1
Lakukan percobaan berikut ini Alat
:
Tindakan 1:
PERTANYAAN
S/B
1. Mikrophon berfungsi untuk mengubah bunyi menjadi tegangan
b
listrik 2. Kepekaan sebuah mikropon adalah besar tegangan bolak-balik
b
keluaran mikropon pada keadaan bunyi ber tekanan 1 µbar 3. Mikrophon selalu dapat menerima suara dari semua arah.
s
4. Mikrophon arang bekerja berdasarkan prinsip hukum induksi
s
5. Loudspeaker jika dioperasikan secara terbalik akan sama persis
b
dengan mikrophon dinamik 6. Mikrophon pita banyak sekali digunakan pada peralatan dekte (tape recorder mini)
44
s
Perekayasaan Sistem Audio
Rangkaian penguat depan audio (universal pre-amplifier)
K OMPE TENS I INTI (KI-3)
K OMPE TENS I INTI (KI-4)
Kompetensi Dasar (KD):
Kompetensi Dasar (KD):
5. Merencana rangkaian penguat
5. Mengukur rangkaian penguat
depan audio (universal pre-
depan audio (universal pre-
amplifier )
amplifier)
Indikator: rangkaian penguat 5.1 Arsitektur depan universal audio (universal pre-amplifier) 5.2 Merencana rangkaian penguat depan universal audio. 5.3 Mendimensikan komponen DC (statis) dan komponen AC (dinamis) penguat depan universal audio tanggapan 5.4 Mendimensikan frekuensi rangkaian penguat depan universal audio 5.5 Mendeskripsikan faktor cacat dan cakap silang (cross talk) penguat depan universal audio sistem stereo. kegunaan dan 5.6 Mengerti penerapan spesifikasi data teknis penguat depan universal pada sistem audio.
Indikator: 5.1. Menggambarskema rangkaian penguat depan universal audio (universal pre-amplifier) beserta daftar komponen dan nama komponen. 5.2. Mendesain, merakit papan rangkaian tercetak (PRT)penguat depan universal menggunakan perangkat lunak. 5.3. Melakukan pengukurantitik kerja DC (statis) dan AC (dinamis) penguat depan universal audio menggunakan perangkat lunak dan interprestasi data hasil pengukuran 5.4. Melakukan pengukuran tanggapan frekuensi rangkaian penguat depan universal menggunakan perangkat lunak dan interprestasi data hasil pengukuran 5.5. Melakukan pengukuran faktor cacat dan cakap silang (cross talk) penguat depan universal audio sistem stereo 5.6. Menyajikan spesifikasi data teknis penguat depan universal sistem audio
45
Perekayasaan Sistem Audio
5.1.
Arsitektur rangkaian penguat depan universal audio (universal pre-
amplifier). Secara rangkaian blok, sebuah system penguat suara dapat dilihat pada Gambar 5.1. Pada gambar tersebut memperlihatkan rangkaian blok mulai dari sumber sinyal, dapat berupa mikrophon, pemungut piringan hitam atau lainnya, hingga diakhiri loudspeaker. Penguat Depan
Penguat depan menguatkan sumber
Penguat Penguat Pengatur Akhir
sinyal,
selain
tertentu,
juga
memiliki harus
penguatan
menyesuaikan
sumber sinyal jika memiliki tanggapan Gambar
5.1.
Rangkaian
Blok
frekuensi yang tidak linear.
PenguatSuaralengkap Pada prinsipnya penguat depan memiliki fungsi untuk
Menguatkan tegangan sumber sinyal Menggunakan level sinyal yang berbeda Mengkompensasi cacat linier Mencampur sumber sinyal yang berlaianan
Pada penguat depan yang disebut universal, memiliki artian penguat ini dapat digunakan untuk menguatkan sumber sinyal dengan tanggapan frekuensi datar (seperti mikrophon) dan yang tidak datar (seperti sinyal dari pemungut suara magnetik).Pada prinsipnya, arsitektur sebuah penguat terdiri penguat dengan penguatan terbuka (open loop) Vuo yang besar dan jaringan umpan balik negatif.
Penguat Depan Ui
Uo
Vuo
Ui
Uo UB
Umpan
balik
(UB)
Gambar
5.2
adalah
dalam
mengembalikan
sebagian sinyal keluaran kemasukkan yang
menyebabkan
penguatan. Gambar 5.2. Susunan penguat depan
negative
Penguat
menurunnya dengan
harus
memiliki penguatan terbuka yang besar.
5.1.1. Penguat Mikrophon Mikrophon dinamik menghasilkan tegangan kira-kira hanya 0,5 mV pada tanggapan frekuensi yang datar. Disini penguat mempunyai tugas hanya
46
Perekayasaan Sistem Audio
menaikkan level sinyal, karena tanggapan frekuensinya sudah datar. Pada rangkaian ini tidak dijumpai komponen yang mempengaruhi tanggapan frekuensi. Dengan begitu akan diperoleh daerah transfer dari 4Hz sampai 40kHz, Penguatan sedemikian besarnya sehingga diperoleh tegangan keluaran sebesar maksimum 1,4V. Karena diperlukan penguatan yang konstan dalam daerah f rekuensi, maka untuk penguat mikrophon, jaringan umpan balik pada Gambar 5.2 harus merupakan komponen yang tidak terpengaruh oleh frekuensi. Untuk ini dugunakan component
ahanan,
dimana
besar
resistansinya
tidak
berubah
dengan
berubahnya frekuensi sinyal. 5.1.2. Penguat Pemungut Suara. Pemungut suara magnetik, atau juga disebut Pick Up (PU) ada beberapa macam jenisnya, tergantung pengubah (transducer ) yang digunakan. Yang banyak digunakan berdasar induksi, secara kunstruksi terdiri dari kumparan dan magnet serta jarum. Pemungut dengan magnet yang terhubung dengan jarum disebut dengan moving magnet (MM) dan kumparan yang terhubung jarum disebu tdengan moving coil (MC). Gambar 5.3 memperlihatkan kunstruksi Kumparan Tegangan keluaran
pemungut suara magnetik, MM (atas) dan MC (bawah). Secara prinsip, cara kerjanya berdasakan hukuminduksi.
Jarum Magnet
Akan terbangkit tegangan induksi bila penghantar berada dalam medan
Piringan Hitam
magnet yang berubah. Artinya, bila
Magnet
jarum bergetar, maka magnet akan ikut Tegangan keluaran
sepatu kutub
bergetar (pada MM) dan akan terbangkit tegangan induksi. Pada MC,
Jarum Kumparan
dengan bergetarnya jarum maka kumparan bergetar, sehingga medan magnet yang mengenainya akan
Piringan Hitam
Gambar
5.3
Kunstruksi
Pemungut
berubah-ubah, maka akan timbul
Suara Magnetik tegangan induksi.
47
Perekayasaan Sistem Audio
Besar tegangan induksi yang terbangkit akan sebanding dengan frekuensi getaran jarum, getaran jarum tergantung pada frekuensi sinyal yang tercetak pada piringan hitam. Jadi tegangan keluaran pemungut suara magnetic akan naik dengan naiknya frekuensi suara. Selain itu, pada nada rendah (bass) memiliki tegangan yang besar (Gambar 5.4), sehingga ini akan menimbulkan alur yang besar pada piringan hitam, ini akan frekuensi tinggi
menghabiskan hitam,
frekuensi rendah
juga
space pada ketidakmampuan
piringan jarum
untuk mengikuti alur tersebut. Maka pada sistim perekaman piringan hitam, frekuensi rendah juga ditekan. Secara internasional penekanan amplitude ini ditetapkan oleh RIAA (Record Industry
Gambar 5.4. Alur sinyal pada piringan
Association
Penguat
20 dB 15
Pemungut Suara Magnetik (tegangan masukan)
10 5 20 -5
Tegangan keluaran Penguat Depan
-10 -15 -20 60
125
250
500
1k
2k
4k
8k
15k
f (Hz) f 1=50Hz ( 1=3180 s)
America)
seperti
diperlihatkan pada Gambar 5.5.
hitam
30
of
f 2=500Hz ( 2=310 s)
f3=2120Hz ( 3=75 s)
Penguatan Penguat Depan
depan
pemungut
suara
magnetis menguatkan sinyal frekuensi rendah lebih besar dari pada sinyal frekuensi tinggi. Sehingga tegangan keluaran penguat depan menjadi datar. Penguat depan ini disebut penyama (Equalizer Amplifier).
Gambar 5.5. Kurva standar RIAA dan penguatan penguat penyama Untuk ini, penguat harus memiliki umpan balik negatif yang besarannya terpengaruh oleh frekuensi sinyal. Maka digunakan komponen kapasitor yang nilai reaktansinya (tahanan secara arus bolak-balik) berubah dengan berubahnya frekuensi sinyal. 5.1.3. Penguat Depan Universal. Penguat depan universal yang kita bahas ini, merupakan sebuah penguat depan yang dapat sebagai penguat mikrophon dan dapat sebagai penguat penyama.
48
Perekayasaan Sistem Audio
Dengan mensaklarkan jaringan umpan Vuo
Ui
Uo m
frekuensi dari penguat depan ini akan
n
berubah, dari linear ketidak linear. Atau UB
dengan kata lain dari penguat depan
Gambar 5.6 Rangkaian blok penguat universal 5.2.
balik dari “m” ke “n”, maka tanggapan
mikrophon
menjadi
penguat
depan
pemungut suara magnetik.
Merencana rangkaian penguat depan universal audio.
Penguat depan yang dapat menguatkan tegangan 1mVef – 20mVef menjadi 11,4Vef dapat dibangun dengan satu atau dua buah transistor. Pada bahasan berikut dipilih penguat depan universal dua tingkat yang hubung secara DC (arus searah). 5.2.1. Mendimensikan komponen DC. Rangkaian Arus Searah Gambar skema rangkaian penguat depan universal yang akan dibahas diperlihatkan pada Gambar 5.6. rangkaian terdiri dari 2 tingkat yang dibangun oleh transistor TR1 dan TR2. Antara keluaran penguat pertama dan kedua disambung secara DC. Umpan balik negatif yang menentukan tanggapan frekuensi, dari keluaran dihubungkan ke daerah masukan dengan penghubung “m” dan “n”, yang bisa dipilih sesuai yang diinginkan.
+ Us
R6 R3 C3
C2 a
C5
R7 TR2
C1 n
TR1 R2 R1
C7
C8 R12
C4
A
C9
m
R4 R5
R10
C10 R11
R9
49
C6
0V
Perekayasaan Sistem Audio
Gambar 5.7.
Gambar skema lengkap penguat depan universal.
Rangkaian penguat depan universal yang dibahas seperti terlihat pada gambar 5.7 dengan daftar komponen seperti berikut ini : Daftar komponen : Tahanan
Kapasitor
Transistor
R1
68k
C1
10 F
TR1
BC 549B
R2
220k
C2
100F
TR2
BC 549B
R3
120 k
C3
33pF
R4
R 5 k
C4
220F
R5
220 k
C5
10F
R6
4,7 k
C6
220F
R7
4,7 k
C7
15000pF
R9
1 k
C8
4700 pF
R10
330 k
C9
100F
R11
15 k
C10
10F
R12
15 k
Rangkaian arus searah sebuah penguat audio terlihat sangat sederhana, karena semua komponen yang berpengaruh pada frekuensi sinyal audio dapat ditiadakan. Jadi semua kapasitor dapat ditiadakan. Setelah proses pensaklaran berlalu, maka yang tertinggal adalah keadaan statis. Keadaan statis ini membangun titik kerja. Dalam keadaan ini semua kapasitor mempunyai potensial konstan, karena terisi penuh.
50
Perekayasaan Sistem Audio
+ Us R6
R7
R3
searah seakan terputus, tidak ada arus
IC2 IC1
I B2
Sebuah kapasitor terisi untuk arus
searah
TR2
yang
mengalir.
Akibatnya,
kapasitor tidak berpengaruh lagi pada
IB1
Us
TR1
IE2
IE1
R2
R4
UE1
U C2
rangkaian
arus
searah.
Untuk
penyederhanaan, dalam kondisi ini,
UC1= UB2
semua kapasitor dihapus, sehingga rangkaian secara arus searah dapat
UB1 R5
R9
UE2
dilihat 0V
Gambar 5.8. Rangkaian arus searah
pada
pembahasan
Gambar
5.8.
Untuk
selanjutnya,
yang
dimaksud dengan U CE tegangan antara
kaki kolektor dan emitor sebuah transistor, jika U CE2 artinya tegangan antara kaki kolektor dan emitor untuk transistor 2. Jika ditulis U C1 berarti tegangan kolektor transistor 1 diukur terhadap 0V (massa). Untuk I C2, berarti arus kolektor transistor 2, demikian seterusnya. Titik Kerja Tugas rangkaian arus searah adalah :
Menetapkan titik kerja.
Untuk menghindari penggeseran titik kerja yang disebabkan pengaruh temperatur.Perubahan temperatur yang diakibatkan misal oleh temperatur
sekeliling atau melalui perubahan daya rugi dari
transistor. Perubahan temperatur mengakibatkan perubahan: -
Arus basis IB jika UCE konstan (faktor 2 tiap kenaikan 100 K).
-
Tegangan basis UBE jika I BE konstan (-2mV/0K pada
kenaikan
temperatur). -
Penguatan
arus
(bertambah
sekitar
1%/ºK
pada
kenaikan
temperatur -
Arus halang ICB (faktor 2 tiap kenaikan 10ºK).
Semua perubahan di atas akan mengarah pada perubahan arus kolektor Ic.
51
Perekayasaan Sistem Audio
Transistor-transistor TR1, TR2 disambung secara tegangan searah (DC). Secara teknis jika dibandingkan dengan penggandeng kapasitor mempunyai kelebihan terutama pada penampilan tegangan bolak-balik (sinyal) .Frekuensi batas bawah terletak pada DC (0Hz). Keburukan pada frekuensi batas DC terletak pada penstabilan titik kerja. Setiap penggeseran tegangan DC dari TR1 dipindahkan ke TR2 (tegangan pada TR2 juga akan ikut bergeser).Maka dari itu titik kerja dari penguat tergandeng langsung (penguat DC) harus distabilkan dengan baik. Ic
Ic IB
IB
A'
(-)
(-) (+)
A
masukan (+)
A
masukan UCE
(-)
UCE
(-)
cacat
(+)
(+)
keluaran
keluaran
Gambar 5.9. Akibat titik kerja bergeser Titik kerja tepat (Gambar 5.9 kiri) Sinyal dapat dikendalikan penuh baik amplitudo positif maupun negatif
Titik kerja tidak stabil (Gambar 5.9 kanan) (bergeser dari A ke A'). Sinyal hanya dapat dikendalikan penuh pada amplitudo
positif.
Pada
amplitudo
negatif UCE mencapai tegangan jenuh Akibatnya : sinyal keluaran cacat Tujuan penetapan titik kerja adalah, untuk membangkitkan arus kolektor I C sekaligus juga menetapkan tegangan kolektor (U CE) yang konstan dan tidak bergantung temperatur. Dalam rangkaian yang dibahas, bekerja dua upaya penstabilan atas perubahan Ic yang disebabkan oleh perubahan temperatur. - Umpan balik negatif arus dengan R9 pada emitor TR2. - Penggandengan basis TR1 melalui R2 ke emitor TR2 bekerja sebagai umpan balik negatif tegangan. c. Penstabilan titik kerja dengan umpan balik negatif arus melalui tahanan emitor
52
Perekayasaan Sistem Audio
Misal 1 : - Titik kerja TR1 tidak tergantung TR2. Jadi tanpa R2. - IC1 >> IB2 - R9 = 0 Jika IC1 >> IB2, tegangan basis atau tegangan kolektor U C1 hampir konstan, maksudnya tidak tergantung I B2. Emitor terhubung langsung ke tanah, tanpa R9 Tahanan basis emitor TR2 dinamakan r be dan tergantung temperatur, dengan demikian I B tergantung temperatur. Maka diperoleh skema pengganti seperti berikut : IC
IB C
B x IB
dengan IB
UB
r be
dan
r be
sangat
bergantung temperatur. Agar supaya IB tidak atau sedikit bergantung
E
Gambar 5.9.
r BE
Dari rumus tersebut, I B tergantung
TR2
r BE
B
U B
Rangkaian
pengganti
temperatur,
faktor
r be
mempunyai
pengaruh
harus sesedikit
mungkin.
transistor tanpa RE
Misal 2 :Seperti permisalan 1, hanya ditambahkan tahanan R9 pada emitor transistor TR2. U9 = IB. R9 + IB . B. R9.
IC
U9 = IB. R9 (1 + B), karena B >> 1.
C
U9 IB. R9. B diperoleh :
B x IB
B
TR2
IB
r BE IB
UBE2
R9
IB R 9 B r BE
IB x r be UB - IB · R9 · B IB · r be + IB · R9 · B UB
E
UB
U B
U9 UE2
IB · (r be + B x R9) UB
Gambar 5.10. Rangkaian pengganti transistor dengan R E.
U B r BE BxR 9 karena B · IB IB
R9
maka :
53
r BE
U B B R 9
Perekayasaan Sistem Audio
Dengan pemasangan tahanan R9, maka arus I B praktis tidak lagi bergantung temperatur. Faktor pengganggu terbesar r be hampir tidak lagi berpengaruh pada arus basis I B (r be tidak lagi terdapat dalam rumus). Untuk lajur basis-emitor R9 bekerja secara pengalian dengan penguatan arus, R basis emitor = B·R9. Dengan ini r be dalam perbandingan sangat kecil, sehingga dapat diabaikan. Tahanan pada kaki emitor ini secara prinsip akan menyebabkan efek umpan balik, dank arena sifatnya mengurangkan maka tahanan pada kaki emitor disebut sebaga tahanan umpan balik negatif arus. Penstabilan dengan tahanan di emitor dapat pula dijelaskan sebagai berikut: Jika oleh sebab panas maka tahanan r BE berubah mengecil maka arus yang melewatinya (I B) membesar maka arus kolektorpun (IC) akan naik maka tegangan emitor (UE) akan naik
karena (UE=IC X R9). Jika UE naik maka UBE akan
mengecil (UBE = UB - UE
B dianggap
konstan dalam kasus ini) mengakibatkan
arus basis mengecil yang kemudian akan mengakibatkan arus kolektor mengecil. B
C
, UE
BE
B
C
Dalam praktek U9 dipilih sekitar 1····2Volt (U9 > U BE1) sehingga R9 besarnya
pemikiran di atas berlaku juga untuk TR1. Tahanan R4 + R5 disana juga secara positif menyelesaikan penstabilan. Tetapi tegangan jatuh pada R4 + R5 terlampau kecil (U E1
Penstabilan kedua yang sangat efektip dicapai melalui umpan balik
negatif tegangan TR2 Emitor - R2 - Basis TR1. Tegangan bias TR1 ditimbulkan melalui tegangan jatuh pada R9 (U9). Cara kerja dibahas secara kualitatip : TR1 : Temperatur IB1
1)
UC1, UB2 IB2 IC2 U9 IB1
2)
Kenaikan IB1 1) yang diakibatkan kenaikan temperatur, melalui lingkaran pengatur berakibat suatu penurunan IB1 2). TR2 :
54
Perekayasaan Sistem Audio
Temperatur IB2 Penurunan IB2
3)
IC2 U9 IB1 IC1 UC1, UB2 IB2
4)
3)
yang disebabkan oleh temperatur turun, melalui lingkaran
pengatur berakibat suatu penaikan IB2 4). Proses stabilisasi ini terjadi terus menerus sehingga diperoleh arus kolektor yang tidak lagi tergantung temperatur dan dengan demikian dicapai pula titik kerja yang stabil . Perhitungan tegangan DC dan arus DC Perhitungan dibentuk sedemikian rupa, dengan penaksiran perbandingan tegangan dan arus setepat mungkin. Dalam hubungan dengan praktisnya perhitungan/penaksiran besaran ini menggambarkan kemampuan fungsi sebuah rangkaian. Harga perhitungan/penaksiran dan harga terukur nantinya dapat dibandingkan dan diinterprestasi. Permisalan : -Semua harga komponen sesuai dengan gambar rangkaian dan semua benar. -Rangkaian berfungsi dengan benar. -Penyederhanaan : I E = IC. karena IB sangat kecil dibanding I C -Data TR1, TR2 :(BC 549) Digambarkan dalam grafik,bahwa besarnya tegangan basis-emitor (UBE) besarnya penguatan (B) sangat tergantung dari penetapan arus kolektor (I C). 1). UC2 : Agar dihasilkan pengendalian yang simetris, U C2, dimana pada titik ini diambil sinyal keluaran, besarnya kira-kira harus terletak di tengah-tengah harga tegangan catu. Dengan demikian : U C 2
U S
2
9V
4,5V
2
55
Perekayasaan Sistem Audio
Jika U
Teg.Catu Daya
tegangan
kolektor
transistor
terakhir ditetapkan 6V maka tegangan
9V 6V
sinyanya sisi positif akan terbatasi
4,5V
oleh tegangan maksimum catu daya.
3V
Jika ditetapkan 3V bagian negatif SimetrisKecil
BesartidakSimetris
SimetrisKecil
UC=6V
Gambar
5.11.
tegangan
BesartidakSimetris BesarSimetris
UC=3V
pengaruh
kolektor
sinyal akan dibatasi oleh 0V. pada
t
UC=4,5V
penetapan
U C
terhadap
tegangan sinyal yang dihasilkan
2) IC2 =
U 7 R 7
U S U C 2
R 7
4,5V 4,7k
penetapan
UC=4,5V
(setengah
tegangan catu, maka akan diperoleh tegangan
sinyal
yang
besar
dan
simetris.
0,96mA
3).U9(UE2) = IC2. R9 = 0,96 mA. 1k U9 harus sedikitnya 1V dan tentu lebih besar dari pada U BE1 = 0,6 V. 4).UC1 = UB2 = U9+UBE
-emitor
UBE1=640mV (Ic=1mA)
56
Perekayasaan Sistem Audio
Tegangan basis-emitor U BE sebuah
2
10
transistor
tergantung
pada
arus
kolektor IC. jika arus kolektor I C
(mA) IC
ditetapkan 1mA, maka pada arus 1mA dalam grafik Gambar 5.12
10
ditarik garis kekanan dan berpotong pada grafik (pilih yang typical) lalu ditarik ke bawah. Maka ditemukanlah 1
besarnya tegangan U BE, dalam hal ini ditemukan UBE sebesar 640mV untuk transistor TR2. Sedang untuk kondisi
-1
10
transistor
IC=60 A
60
maka
TR1
dengan diperoleh
UBE=560mV.
-2
10
600
500 560
700
640
800
900
UBE (mV)
Gambar 5.12. Grafik tegangan basisemitor (UBE) fungsi (Philips
Data
arus kolektor (IC) handbook,
Semiconductor Part 3 Nov 1982) 5). IC1 =
U S U C 1 R 3 R 6
9V 1,6V
120k 4,7k
59 A
6).UE1 = IC 7).UB1 = UE1+ UBE
-emitor
UBE UB1 harus lebih kecil dari U9 agar arus basis dapat mengalir. Dengan sangat kecilnya arus basis I B1 dan sangat lebih kecil dari I C2, maka hanya terdapat tegangan jatuh yang kecil pada R2. 8) IB1 =
U 9 U B 1 960mV 868mV 0,41 A R 2 220k
57
Perekayasaan Sistem Audio
I C 2
9) IB2 =
B2
750 h FE
0,96mV 3,5 A 275
VCE = 5 V Tj = 25o C
BC 549B BC 550E
500
max
275
typ
250
min
200
0 -2 10
-1
60 A
IC
10
1
10
(mA)
2
10
1mA
Gambar 5.13. Penguatan (h FE) fungsi arus kolektor (I C) (Philips Data handbook, Semiconductor Part 3 Nov 1982) Dari Gambar 5.13. dapat dibaca penguatan arus B (untuk arus searah) atau h FE, untuk transistor TR2 sebesar 275 karena I C=0.96mA. Untuk transistor TR1 penguatannya sebesar 200 karena I C=60 A Dengan menggunaan lembar data dan tanpa teori yang rumit memungkinkan perhitungan tegangan dan arus dengan ketepatan yang cukup. Perhitungan tidak harus
persis
seperti
langkah-langkah
yang
dibicarakan
di
atas.
Untuk
diperhatikan, bahwa seharusnya dilakukan permisalan sedikit mungkin, untuk mendapatkan ketepatan hasil yang masih dapat diterima.
TUG AS 1 a. Buatlah papan rangkaian tercetak PRT/PCB (Printed Circuit Board ) untuk penguat dengan gambar rangkaian yang ditampilkan pada gambar 5.7. PRT
58
Perekayasaan Sistem Audio
bisa cara langsung dengan spidol atau dengan cara sablon dengan penggambaran menggunakan perangkat lunak. b. Setelah PRT selesai solderlah hanya resistor dan transistornya saja. c. Berilah tegangan catu sebesar 9Volt dan lakukan pengukuran pada kaki-kaki transistor, lengkapi tabel pengukuran. No
Titik ukur
1
UC2
2
UE2
3
UB2
4
UC1
5
UE1
6
UB1
Nilai
tegangan
secara teori
Hasil Pengukuran
Selisih (%)
Semua pengukuran diukur terhadap 0V (massa) Kesimpulan : ……………………………………………...……………………………… ……………………………………………………………….………………………..…… ……………………………………………………………….……………………......……
59
Perekayasaan Sistem Audio
S/B
PERTANYAAN 1. Fungsi tahanan pada kolektor pada transistor terakhir adalah menetapkan besarnya tegangan kolektor. 2. Perubahan yang disebabkan oleh perubahan temperatur antara lain arus kolektor turun. 3. Jika titik kerja transistor bergeser dapat menyebabkan sinyal yang dikuatkan menjadi terpotong atau cacat. 4. Tujuan penetapkan titik kerja titik kerja adalah membangkitkan arus kolektor yang konstan dan tidak tergantung pada temperatur 5.
Upaya
menstabilkan
titik
kerja
dari
gangguan
temperatur dengan memasang tahanan pada basis.
60
perubahan
Perekayasaan Sistem Audio
5.2.2. Mendimensikan komponen AC. Aliran Sinyal pada AC Dalam sebuah rangkaian penguat audio jalannya aliran sinyal untuk AC dan DC tidak sama. Sumber tegangan DC untuk sinyal AC membentuk sebuah hubung singkat. Tahanan dalam sumber tegangan idealnya sama dengan 0 demikian elemen-elemen yang terletak antara potensial positif dan negatif untuk sinyal AC terletak paralel. +UDC
Untuk IDC, R1 dan R2 terhubung seri. Sehingga Rt= R1 + R2.
R1 C2
Untuk i AC, UDC
dan
R2
terhubung
paralel. Sehingga Rt = R1 // R2.
C1 U AC
R1
R2 0V
Gambar 5.14. Rangkaian 2 tahanan dalam arus searah dan bolak balik
+UDC
+UDC R1
R1 C2 UDC
UDC
C1 U AC
C1 U AC
R2 0V
R2 0V
Gambar 5.15. Rangkaian tahanan pada tegangan DC
61
Perekayasaan Sistem Audio
+UDC R1 C2 UDC C1
C1
U AC
U AC
R2
R2
R1
0V
Gambar 5.16. Rangkaian tahanan pada tegangan AC.
Masukan R1
RC
Untuk U AC pembagi tegangan R1,R2
C2
C1
C3 TR
terletak paralel sehingga : R tB=R1//R2. UDC
Keluaran
UDC R2
RE
RL
Untuk sinyal AC RL terletak paralel ke RC. dengan demikian R tC dikolektor Gambar 5.17. Arus AC dan DC pada
untuk sinyal AC : RtC=RC//RL.
rangkaian penguat transistor
Pemilahan jaringan penguat, jaringan umpan balik negatif. Rangkaian dalam gambar 5.7 dapat dipilah dalam : A : Jaringan penguat. B : Jaringan umpan balik negatif
62
Perekayasaan Sistem Audio
R3
+ Us
R6
A C3
C2
C5
R7 TR2
C1 a
n
TR1 R2 R1
C4 R4
C7
C8
A
C9
R12
B
R5
R10
C10 R11
m
R9
JARINGAN UMPAN BALIK C6 NEGATIF
0V
Gambar 5.18 Pemilahan antara jaringan umpan balik negatif dan penguat Umpan balik negatif adalah mengembalikan sebagaian dari sinyal keluaran ke masukan, akan mempengaruhi penampilan keseluruhan rangkaian. PENGUAT
Yang dipengaruhi :
Vuo
a) Penguatan Ui
Uo UMPAN BALIK NEGATIF
VU
(penguatan
tegangan), Vi (penguatan arus). b) Lebar band. c) Tahanan masukan r e.
Gambar 5.19. Rangkaian blok penguat
d) Tahanan keluaran r A. e) Faktor cacat.
Jaringan penguat dengan umpan balik "dalam". Dalam bahasan berikut rangkaian penguat dalam gambar 5.7 dianalisa dan penampilannya dihitung secara kualitatif. Dalam bahasan sebelumnya telah dihitung dan diterangkan berakibat apa tahanan-tahanan emitor R9, R4, R5. Semua itU mengakibatkan penstabilan arus kolektor supaya titik kerja tidak bergeser. Dimana yang disebut umpan balik negatif arus, yang mana tegangan umpan balik U9(U E2),U4,5 (UE1) sebanding dengan arus I E1, IE2. Umpan balik negatif ini bekerja atas setiap perubahan sinyal. Bila kita letakkan tegangan sinyal pada masukan a, menyimpanglah arus basis dalam irama sinyal masukan. Umpan balik negatif akan menstabilkan "penyimpangan" ini , dengan demikian
63
Perekayasaan Sistem Audio
sinyal dari masukan tidak dikuatkan. Padahal penguatan sinyal diperlukan. Maka umpan balik negatif untuk tegangan sinyal harus diperkecil .
R3
A
+ Us
R6
C5
R7
A
C3
C2 C1 a
TR2
TR1
C9 R2 R1
C4 R4 R5
B R9
C6 0V
Gambar 5.20 Penguat hanya dengan umpan balik negatif “dalam” Dalam rangkaian yang dibahas, umpan balik negatif melalui R9 untuk tegangan sinyal akan diperkecil dengan cara R9 dihubung singkat dengan C6, dengan demikian arus bolak-balik sinyal tidak membangkitkan tegangan AC umpan balik melalui R9. Kapasitor C6 membuat suatu hubung singkat untuk sinyal AC. Dengan kata lain C6 berfungsi sebagai peniada umpan balik untuk sinyal AC. Sedang R4 (trimpot) untuk sinyal AC akan dihubung singkat tergantung posisinya. Umpan balik negatif maksimum bila penggeser trimpot berada paling atas, sehingga tahanan yang berada di emitor sebesar 5,220 k . Tahanan atur R4 digunakan untuk mengatur besarnya umpan balik negatif, tetapi hal ini hanya berlaku untuk sinyal AC . Untuk DC semua kapasitor membentuk rangkaian terputus atau X C=, sehingga pada tahanan atur R4 besarnya tidak akan berubah walau penggeser tahanan atur diubah-ubah. Dengan demikian R4 bertugas untuk pengatur penguatan sinyal. Rangkaian R6, C2 bertugas untuk menyaring (mem- filter ) tegangan catu TR1, karena tingkat penguat keseluruhan mempunyai penguatan yang besar. Jika tidak disaring (difilter ),tegangan dengung akan sangat terdengar di keluarkan A. Kapasitor
C1,
C5
adalah
kapasitor
64
penggandeng
dan
bertugas
untuk
Perekayasaan Sistem Audio
memisahkan tegangan DC. Tahanan R1 mempunyai pengaruh paling besar dalam menentukan besarnya tahanan masukan rangkaian. Kapasitor C3 adalah umpan balik negatif yang lain dan bekerja pada frekuensi tinggi.Sinyal frekuensi tinggi akan dikembalikan ke basis TR2,maka penguatanpun menurun. Kapasitor C3 bekerja pada frekuensi di atas 20 kHz. Kapasitansi seluruhnya C3' =
x C3,
jadi dengan penguatan arus yang lebih besar nilai C3' akan sangat besar. Perhitungan penguatan VUO dengan tahanan emitor R9,R4, R5. Rangkaian yang dimaksud seperti gambar 5.20, rangkaian tanpa jaringan ump an balik C7,C8,R10,R11 dan R12. Besar perbandingan tegangan keluaran dengan tegangan masukan, V U karena ini tanpa umpan balik tersebut, maka perbandingan ini disebut pula penguatan terbuka atau “ open loop” atau penguatan tanpa umpan balik, dengan notasi V UO. Besarnya : U A
VUO
Ui
Dari rumus umum tersebut, untuk penguat emitor bersama diperoleh hitungan penguatan sebagai berikut : VUO
x Rt r be
Jika r be VU
( 1) RE,
Rt
= Tahanan di kolektor untuk AC.
r be
= Tahanan basis-emitor
RE'
= Tahanan umpan balik negatif di emitor.
E
Rt R , E
Untuk TR1 terdapat keadaan sebagai berikut : Paralel dengan R3 terletak tahanan r be2 dari transistor TR2. r be2 berharga sekitar 1 mA dan f =1kHz (dari lembar data).
65
Perekayasaan Sistem Audio
2
10
UCE = 5 V Tj = 25o C
90
hie (k)
1
Freq = 1 kHz
BC 547C BC 548C
BC 546B 2 BC 547B BC 548B
1 UCE = 10 V 2
BC 546A 3 BC 547A BC 548A
3
10 7,5 UCE = 5 V
1 -2
-1
10
1
10 6 0
IC
(mA)
10
1m
Gambar 5.21. Impedansi masukan (h ie) fungsi arus kolektor (I C) (Philips Data handbook, Semiconductor Part 3 Nov 1982) Sehingga :
-
// = paralel
untuk IC
- RE' = R5 sampai (R4 + R5) sesuai posisi trimpot R4. - r be
C
Untuk VU maks untuk TR1 rumus sederhana tidak boleh digunakan,karena r be
E'
sehingga : V maks(TR1) U
220x7,5k 90k (220 1)x220
Untuk VU min r be
E'
11.9kali
sehingga rumus yang disederhanakan dapat
digunakan. VU min(TR1)
7,5k 5,22k
1,4kali
66
Perekayasaan Sistem Audio
TR2 tanpa umpan balik negatif, karena R9 dihubung singkat oleh C6 untuk AC. Di kaki kolektor ditemui hanya R7, karena tidak terdapat tahanan beban yang dihubungkan. - Rt -
C2
- r be
= 1 mA dan f = 1 kHz (data Gambar 5.13). C2
= 1mA dan f = 1 kHz (data).
maka :
VU
275 x 4,7k 7k
184kali
Untuk penguatan keseluruhan terdapat penguatan : VUO maks = VU maks (TR1) x VU (TR2) = 11.9 x 184 = 2189.6 kali. VUO min
= VU min (TR1) x VU (TR2) = 1.4 x 184 = 257.6 kali.
yebar).
be
PENGUAT
arus
Vuo
Ui
maks 2189.6 kali. Uo Vuo min 257.6 kali
kolektor.
Harga
dihitung
hanya
sebagai
pengarah.
dibahas
tergantung dari
dapat
sekarang
yang
digunakan
Penguat dapat
telah
yang
dipandang
seperti Gambar 5.22 Gambar
5.22.
Penguat
dengan
penguatan VUO. Penguat mempunyai sifat menguatkan sinyal dengan penguatan beban kosong atau terbuka atau open loop VUO
257,6 kali sampai 2189,6 kali (tergantung
pengaturan posisi R4). Sudah barang tentu penguatan beban kosong V UO tidak sama besar dari f=0Hz (DC) sampai f =
. Frekuensi batas bawah f bb ditentukan oleh kapasitor C1, C5.
Kapasitor C1 bersama dengan tahanan masukan TR1 membentuk pelalu
67
Perekayasaan Sistem Audio
atas.Kapasitor C5 bersama tahanan beban R L membentuk sebuah pelalu atas. RL dapat merupakan tahanan masukan tingkat berikutnya. Untuk frekuensi rendah Xc dari C4, C6 selalu semakin besar. Dengan demikian umpan balik negatif naik dan penguatan menurun, lihat Gambar 5.23. Vuo
C1,C5 C4,C6
Penguatan dari hasil perhitungan di
C3
atas
berlaku
frekuensi
hanya
tengah
untuk
daerah
saja
(sekitar
20Hz······20 kHz). f bb
f ba
f
Gambar 5.23. Pembatasan tanggapan frekuensi
TUGAS 2 Jika Tugas 1 sudah sesuai antara hasil pengukuran dengan nilai secara teori, maka lanjutkan tugas 2 ini. Diharapkan dalam 1 kelas terdapat 12 buah penguat (per grup 3 siswa). Solderlah semua kapasitor kecuali C10 tidak disolder. Siapkan generator fungsi (FG) dan osiloskop (CRO), hubungkan kuluaran FG pada masukan penguat (a) dan CRO kanal 1 pada (a) dank anal 2 pada (A). Aturlah FG pada bentuk gelombang sinus dan amplitudo sekitar 5mVpp dengan frekuensi 1kHz. Bacalah penunjukkan CRO dan lengkapi tabel pengukuran berikut ini. Setiap grup bertugas memasukkan satu lajur data sesuai nomor urut PRT-nya.
68
Perekayasaan Sistem Audio
Bentuk gelombang sinus, f=1kHz, Ui=5mVpp (sinyal keluaran tidak boleh cacat) No PRT
VUO min
VU min (jumper “m”)
VUO maks
VU maks (jumper “m”)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Hasil terendah Hasil tertinggi Selisih terendah tertinggi Harga perhitungan untuk V U min
=.............
Harga perhitungan untuk V U maks
=.............
Harga perhitungan untuk V UO min
=.............
Harga perhitungan untuk V UO maks =............. Kesimpulan : ……………………………………………...……………………………… ……………………………………………………………….………………………..…… ……………………………………………………………….………………………..…… ……………………………………………………………….………………………..……
69
Perekayasaan Sistem Audio
S/B
PERTANYAAN 1. Sumber tegangan DC membentuk suatu hubung singkat untuk sinyal AC 2. Tahanan Rt untuk arus AC adalah Rt=R1+R2 +UDC R1 C2 UDC C1 U AC
R2 0V
3. Fungsi C6 dalam rangkaian yang dibahas untuk meniadakan umpan balik untuk sinyal AC. 4. Secara keseluruhan, keseluruh an, komponen yang menentukan sifat penguat adalah transistor. 5. Umpan balik “luar” akan menyeragamkan sifat penguat 6. Penguatan penguat tanpa umpan balik untuk masing-masing masing-mas ing PRT sangat banyak perbedaan satu sama lain,karena toleransi yang sangat besar pada transistor. t ransistor.
70
Perekayasaan Sistem Audio
Jaringan umpan balik negatif "luar" Pengertian jaringan Pengertian jaringan umpan balik "luar" "luar" adalah jaringan antara keluaran penguat (C10) ke masukan penguat (emitor TR1 untuk memperoleh umpan balik negatif) . Komponen umpan balik dapat diganti dengan memindahkan kawat penghubung ( jumper jumper ). ). Jika kawat penghubung berada pada
“m”,
sinyal keluaran diumpan
balikkan melalui tahanan R12, dimana komponen ini tidak terpengaruh oleh frekuensi, melalui C10 ( C10 nilainya terlalu besar untuk sinyal audio). Jika kawat penghubung berada pada
“n”,
umpan balik negatif akan bergantung frekuensi
dan sesuai dengan penyama (ekualisasi = equalization) equalization ) untuk piringan hitam RIAA (Recording (Recording Industry Association of America America = Asosiasi Industri Rekaman Amerika), komponen komponen itu terdiri dari dari jaringan R10,R11 dan dan C7 serta C8. Penguatan dengan umpan balik negatif n egatif "luar" Model dari gambar 5.22 diubah. Basis
TR1
(+)
VUO
Ui' Ui '
(-) Ui
dipisah menjadi (+) dan emitor menjadi
C5
n
C4
(-).Tegangan
R10 R10
R11
C7
C8
C10
keseluruhan
terletak antara basis (+) dan emitor (-) dari TR1 dan dinyatakan sebagai U1'
Uo
R12 R12 R4
kendali
lihat gambar 5.24. Untuk perhitungan penguatan model dari gambar 5.24
m
disederhanakan lagi. Seperti Gambar
R5
5.25. Impedansi Z2 adalah umpan balik negatif antara keluaran dan emitor
Gambar 5.24. Umpan Balik “luar”
TR1. Impedansi Z1 adalah umpan balik
TR1
(+)
antara emitor TR1
VUO
Ui '
dan massa (0V).
Elemen R4 dan R5 telah dijelaskan pada umpan balik negatif arus dalam
(-) Ui
Z1
Uo
Z2
"jaringan penguat". Dalam umpan balik negatif pada gambar 5.24 elemen ini bekerja kembali.
Gambar 5.25. Penguat dengan umpan
71
Perekayasaan Sistem Audio
balik Z1 dan Z2 Penguatan tanpa umpan balik VUO
UU ' dengan Ui Ui UO Z1Z1Z2 I
O i
dimana
U A Z1Z1Z2 merupakan tegangan yang dikembalikan dari keluaran ke masukan. VUO
UO
Ui UO Z1Z1Z 2
VUO Ui UO Z1Z1Z2 UO VUO xUi
VUOxUi
U A Ui
VU
Z1 Z1 Z 2
VUO xUO
Z1 Z1 Z2
UO VUOxU A
VUO 1
UO
VUO x Z1Z1Z 2
1 1 VUO
UO 1 VUOx Z1Z1Z2
Z1 Z1 Z 2
1 1 VUO
1
Z 2 1 Z1
1 1 VUO
1
Z 2 1 Z1
Jika VUO >> 1
Z2 Z1
Maka : VU =
1 1 1 Z2 Z1
VU = 1
Z2 Z1
Dari sini terlihat bahwa penguatan V U tidak lagi tergantung dari penguatan beban kosong VUO! Tetapi ditentukan oleh Z1 dan Z2. Jadi jaringan umpan balik negatif Z1 dan Z2 menentukan sifat penguat!
72
Perekayasaan Sistem Audio
Sifat penguat secara keseluruhan hanya ditentukan oleh jaringan umpan balik Z1 dan Z2 Sisi baiknya : sifat yang berbeda dari transistor TR1, TR2 praktis tidak mempengaruhi sifat dari penguat keseluruhan ! Dengan syarat V UO >> 1
Z2 Z1
dalam praktek persyaratan ini hampir selalu
terpenuhi. Dengan demikian penguatan penguat dapat dihitung dengan rumus sederhana. Perhitungan penguatan VU dengan umpan balik negatif "luar" Data : VUO maks = 2189.6 kali
C5
(+) VUO
Ui ' Ui
VUO min = 257.6 kali
(-)
n
R10
R11
C7
C8
C4
C10
min
R12
R4
maks
R5
Uo
m
Z1
Kawat
penghubung
pada
kedudukan
balik “m” Z2 = R12 VU maks jika R4 = 0 (hubung singkat) VU min jika R4 = 5k R12 R4 + R5
1
15k 5k 220
3,8kali
(VUO min = 257.6 berarti Vuo >> 3,8)
VUmaks 1
R12 R4 + R5
1
berarti
berupa tahanan R12 sebesar 15k .
Gambar 5.26. Penguat dengan umpan
VU min 1
“m”,
balik
umpan balik linier. Umpan balik
Z2
Z1 = R4 + R5,
umpan
15k 0 220
69kali
(VUO = 2189.6 berarti Vuo >> 68)
73
Perekayasaan Sistem Audio
Kawat VUO
Ui ' Ui
C4
n
C8
C7
min
R5
C10 Z2 = terdiri dari R11 paralel C8 Uo
R12
R4
maks
Z1
balik
umpan balik tergantung frekuensi!
R10 Z2 R11
(-)
umpan
pada kedudukan n, berarti jaringan
C5
(+)
penghubung
disambung seri dengan R10 paralel C7
m
Z1 = R4 disambung seri R5.
Gambar 5.26. Penguat dengan umpan balik “m” Karena umpan balik tergantung frekuensi, maka penguatan juga tergantung frekuensi. Pada frekuensi tinggi X C7 dan XC8 selalu mengecil dengan menaiknya frekuensi. Untuk melihat sifat penguatan dari penguat dengan jaringan umpan balik
“n”
maka dipilih 3 besaran frekuensi. Kemudian impedansi Z2 dapat
dihitung yang selanjutnya penguatan untuk masing-masing besaran frekuensi dapat dihitung. Pada tabel 1 dihitung besar impedansi Z2 pada masing-masing frekuensi dan pada tabel 2 dihitung besar penguatan tanpa beban V UO dan penguatan rangkaian dengan umpan balik luar V U. Perhitungan
Z2 hanya
pendekatan
dengan tidak memperhitungkan sudut fasa, sekedar untuk mempermudah analisis kerja rangkaian.
74
Perekayasaan Sistem Audio
Tabel 1.Penghitungan impedansi Z2 .f
R11
c8 R10 Xc7
(Hz) () () ()
2 Rumus Z2
()
) R11<
50
R10//Xc7
15k 70k 30k 212k
R10//Xc7 129k
>>R11
Xc7<
15k 4k
30k 10,6k
R11//(Xc8+ c7)
R11//Xc8 Xc7
21k
Xc8<
5k
,7k 30k
30k
(R10//Xc7)
Xc8 1,7k
<
Tabel 2 Perhitungan penguatan V U min
.f (Hz)
Z2 () Z1= dari
R4+R5
VU
1
Z2
VU =
Z1
1 1 VUO
1 1
Z2 Z1
UO
1
Z2 Z1
VUO 1
Z2 Z1
tabel 1 ()
pendekatan
tepat
50
129k
5,22k
25,7
23,4
57,6 25,7
0,0
1k
21k
5,22k
5,0
4,9
57,6 5,0
1,3
20k
1,7k
5,22k
1,3
1,3
57,6 1,3
94,3
Dalam tabel 2 dapat dilihat, bahwa perhitungan untuk V U pada frekiensi 50 Hz terdapat penyimpangan antara hasil yang didapat dengan rumus pendekatan dan rumus. Untuk frekuensi lainnya persyaratan VUO 1
75
Z2 Z1
terpenuhi. Dalam
Perekayasaan Sistem Audio
tabel 3 perhitungan V U maksimum pada frekuensi 50Hz hasil kedua rumus masih berbeda. Karena perbandingan V UO: 1
Z2
sangat kecil, hanya 3,7 saja.
Z1
Tabel 3 Perhitungan penguatan V U maks
.f (Hz)
Z2 () dari tabel 1
Z1=R5 VU
1
1
VU =
Z2
1
Z1
VUO
() pendekatan
tepat
1 1
Z2 Z1
UO
1
Z2 Z1
VUO 1 ZZ21
50
129k
220
587,4
463,1
189.6 35
,7
1k
21k
220
96,5
92,4
189.6 4,3
2,7
20k
1,7k
220
8,7
8,7
189.6 1,3
50,9
Tabel 4 Penguatan dalam dB .f
UO
dB
(Hz) maks)
VUO (min)
VU
dB
(maks)
50
189.6
66,8
57,6
48,2
1k
189.6
66,8
57,6
48,2
20k
189.6
66,8
57,6
48,2
Syarat VUO 1
Z2 Z1
63,1
dB
VU
dB
(min)
53,3
23,4
7,4
92,4
39,3
4,9
13,9
8,7
18,8
1,3
,4
, tidak terpenuhi. V UO hanya 2,6 kali lebih besar dari 1
Z2
. Pada
Z1
1kHz perbedaan menjadi lebih kecil dan pada 20 kHz persyaratan VUO 1
Z2 Z1
pasti terpenuhi. Untuk hasil yang tepat dengan rumus sederhana berlaku jika V UO paling tidak 10kali lebih besar dari
faktor
1
Z2
. Ini berlaku untuk semua juga hitungan
Z1
praktis. Penguatan open loop (VUO) seharusnya paling tidak 10kali lebih besar
76
Perekayasaan Sistem Audio
dari faktor 1
Z2 Z1
, dengan demikian penguatan tidak lagi bergantung pada V UO,
melainkan hanya bergantung dari Z2 dan Z1 Sifat penguat akan hanya bergantung pada jaringan umpan balik luar jika VUO 1
Z2
(minimum 10 kali)
Z1
dB 60 50 40
VU maks
30 20
VU min
10
2
10
3
10
4
10
f [Hz]
5
10
Gambar 5.27. Penguatan VU terhadap frekuensi Gambar 5.27 menampilkan tanggapan frekuensi dari penguat pemungut suara magnetik diambil dari data table 4. Dari gambar 5.27 terlihat dengan naikknya frekuensi sinyal maka akan semakin rendah penguatan penguat.
77
Perekayasaan Sistem Audio
TUGAS 3
Rangkailah PRT penguat yang sudah
FG
PSU
disolder
CRO
lengkap
seperti
+Us A n T m
rangkaian
peralatan
pengukuran
disamping ini. Jumper pada PRT di set
PRT Penguat a T
dengan
pada “n”, R4 di set untuk penguatan minimum. Atur FG pada gelombang
0V
sinus
dan
frekuensi
sesuai
tabel.
Amplitudo FG diatur 5mVpp (di ubah
Gambar Rangkaian Pengukuran
bila bentuk gelombang keluarannya cacat) Lengkapi tabel tugas berikut dari hasil perhitungan teori. Masukkan hasil pengukuran yang diperoleh
Tabel II : Perhitungan dan pengukuran penguatan dengan umpan balik minimum (V U min.) dan penguatan beban kosong minimum (V UO min.) dengan penghubung umpan balik pada n. Perhitungan .f (Hz)
Kasar VU
1
Pengukuran
Perhitungan
Tepat Z2 Z1
VU =
VU
1 1 VUO
1 1
Z2 Z1
50 1k 20k
78
VUO
|Z1|
|Z2|
VUO 1 ZZ21
Perekayasaan Sistem Audio
Tabel III. Perhitungan dan pengukuran penguatan dengan umpan balik maksimum (VU maks.) dan penguatan beban kosong maksimum (V UO maks) dengan penghubung umpan balik, pada n Perhitungan Kasar
.f (Hz)
VU
1
Pengukuran
Perhitungan
Tepat Z2
VU =
Z1
VU
1 1 VUO
VUO
|Z1|
|Z2|
VUO 1 ZZ21
1 1
Z2 Z1
50 1k 20k
Kesimpulan : ……………………………………………...……………………………… ……………………………………………………………….………………………..…… ……………………………………………………………….………………………..…… ……………………………………………………………….………………………..……
S/B
PERTANYAAN 1. Penguatan penguat akan tepat/mendekati 1 Vuo terhadap 1
Z2 Z1
Z2 Z1
jika penguatan
sama besarnya.
2. Rumus digunakan jika Vuo kecil dibanding 1 VU= 1
Z2 Z1
adalah
Z2 Z1
3. Umpan balik harus sebesar mungkin maka penguatan tidak tergantung dari toleransi komponen 4. Penguatan menjadi besar jika kita memperkecil umpan balik 5. Penghubung umpan balik pada n, penguatan sinyal pada frekuensi rendah akan lebih kecil dari penguatan pada frekuensi tinggi.
79
Perekayasaan Sistem Audio
5.3.
Lebar Daerah Frekuensi
5.3.1. Pengertian lebar daerah frekuensi (band w idth Lebar daerah frekuensi b adalah selisih dari frekuensi batas atas( ba) dengan frekuensi batas bawah (bb). Sebagai frekuensi batas disebut frekuensi, penguatan pada frekuensi itu turun sekitar -3 dB.
Gambar 5.28. Lebar daerah frekuensi Penyebab pembatasan daerah frekuensi Tidak ada penguat yang memiliki lebar daerah frekuensi yang tak terhingga ( ). Lebar daerah frekuensi dibatasi oleh kekhususan seperti berikut : - Kapasitansi, induktansi yang menyebar dalam rangkaian. - Kapasitansi dalam semikonduktor (kapasitansi basis - kolektor). - Bagian induktif misalnya dalam kapasitor-kapasitor, tahanan-tahanan. - Pemilihan rangkaian. Dengan upaya rangkaian yang sesuai dicoba untuk memperoleh sebuah daerah frekuensi yang optimal. Akibat pembatasan daerah frekuensi Dengan adanya pembatasan daerah frekuensi maka hanya daerah frekuensi tertentu saja yang dikuatkan.
Hal ini dapat pula suatu hal yang diinginkan,
misalnya dalam penguat selektif
seperti penguat
frekuensi
antara,
atau
penyelesaian gangguan misalnya dalam penguat video. Paling mengganggu adalah pada ujung daerah
bb, ba.
Selain penurunan
amplitudo timbul pula pergeseran phasa yang tergantung dari frekuensi.
80
Perekayasaan Sistem Audio
Penampilan pelalu atas Pandangan berikut hanya berlaku untuk sebuah pelalu atas sederhana. C
R
1
2
U a
Ui
-3dB Uo
bb
R UO = VU = R + Xc Ui VU =
j
b
1 +1
-45
-90
bb
2
1
Gambar 5.29. Pelalu atas Sifat pelalu atas Amplitudo :
Mulai dari frekuensi lingkaran OHz amplitudo Uo naik 20 dB tiap dekade (garis a mempunyai kemiringan 20 dB/dekade = 6 dB/oktaf).
Pada frekuensi =
Pada frekuensi
b
amplitudo Uo = Ui. amplitudonya 3 dB di bawah tegangan keluaran
maksimum. b adalah frekuensi batas. Pada frekeunsi batas R = Xc. Phasa :
81
Perekayasaan Sistem Audio
Mulai frekuensi lingkaran OHz pergeseran phasa Q2-Q1 naik dari - 90 o
*
menuju 0o *
Pada frekuensi = pergeseran phasa = 0 o.
*
Pada
b, frekuensi batas, pergeseran phasa - 45 o.
Penampilan pelalu bawah Pandangan berikut hanya berlaku untuk sebuah pelalu bawah sederhana. R
C
1
U
2
b
Ui -3dB Uo
bb
UO Xc = VU = Ui R + Xc VU =
1 j
b
+1
-45
-90
bb
21 Gambar 5.30. Pelalu bawah Sifat pelalu bawah Amplitudo :
Mulai frekuensi lingkaran OHz amplitudonya konstan hingga
82
b.
Perekayasaan Sistem Audio
Mulai
b amplitudonya turun dengan kemiringan 20 dB tiap dekade = -6 dB
tiap oktaf.
Pada frekuensi = tegangan keluarannya 0.
Pada frekuensi
b
amplitudonya turun sekitar 3 dB.
b
adalah frekuensi
batas dengan itu R = Xc Phasa : *
Mulai frekuensi OHz phasanya konstan 0 o hingga frekuensi batas
*
Mulai
*
Pada = pergeseran phasanya -90 o
*
Pada b, frekuensi batas, pergeseran phasa Q2-Q1= -45 o.
b.
b pergeseran phasanya Q2-Q1 berharga dari 0osampai -90 o.
5.3.2. Pelalu bawah dan pelalu atas dalam rangkaian penguat depan (gambar 5.7) Dalam rangkaian dalam gambar 5.7 bekerja 4 untaian RC sebagai pelalu atas.
C1 dengan tahanan masukan r1 dari TR1.
C5 dengan tahanan beban RL pada A.
C4
dengan R4, R5. Semakin tinggi frekuensi, umpan balik semakin kecil
(penampilan pelalu atas).
C6 dengan R9 (berpenampilan seperti 3).
Frekuensi batas bawah
bb
ditentukan oleh 4 untaian RC. Kemiringan garis a
(gambar 5.29) berharga hanya 20 dB pada sebuah untai RC. Misalnya : a). Untaian RC tidak saling berpengaruh. b). Mempunyai batas frekeunsi batas yang sama. Dalam rangkaian gambar 5.7 permisalan a). Tidak terpenuhi juga
83
Perekayasaan Sistem Audio
b). Tidak terpenuhi 100%. Maka kemiringan / kemiringan garis a berharga antara 20 dB ...... 4x20 dB tiap dekade (6 dB ...... 24 dB tiap oktaf). TR1 a
C1
TR2 C
B
B
E
C
A
E
R7 R4
C5
C4
R7
RL
R5 C6
R5
r1
Gambar 5.31. Rangkaian pengganti rangkaian 53 - 12.01 secara AC untuk frekuensi rendah tanpa "Umpan balik luar" Dalam rangkaian gambar 5.7 bekerja 2 kombinasi RC sebagai pelalu bawah. 1. Kapasitansi kolektor basis C CB (TR 1) bersama dengan tahanan masukan r1, r2. 2. Kapasitansi kolektor basis C CB (TR 2) // C3 bersama dengan tahanan masukan r2 dan R7 // RL. Semakin tinggi frekuensi, semakin besar umpan balik melalui C CB juga CCB // C3, ini merupakan penampilan pelalu bawah. Dalam prakteknya kejadian 2
dan 1
dapat dikesampingkan. Kerja dari C CB
diperkuat dengan pemasangan C3 secara paralel. Garis b (gambar 5.30) turun dengan -20 dB tiap dekade (-6 dB tiap oktaf).
84
Perekayasaan Sistem Audio
TR1 a
CCB
B
TR2 C
B
CCB
A
C
RG E
E
R1
R3
R7
RL
R4
R5
r2
r1
Gambar 5.32 Rangkaian pengganti rangkaian dalam gambar 5.7 secara AC untuk frekuensi tinggi tanpa “umpan balik luar” 5.3.3. Penguatan beban kosong dengan pembatas daerah frekuensi. Dalam bab di depan, telah dihitung penguatan beban kosong V UO.Perhitungan ini
hanya
berlaku
untuk
daerah
frekuensi
tengah
dimana
kapasitansipenggandeng dan kapasitansi kolektor-basis tidak efektif.Untuk perbandingan
sesungguhnya kapasitansi-kapasitansi
ini harus diperhatikan,
dimana ini yang menentukan lebar daerah frekuensi. Sebagai pandangan perbandingan yang sesungguhnya kita ambil bahwa untaian RC tidak saling pengaruh.
Dengan
itu
diperoleh
gambar
rangkaian
pengganti dimana
menunjukkan penampilan yang samaseperti rangkaian sesungguhnya dalam paragrap 2. Elemen-elemen R dan C terbentuk dari kombinasi dari
misalnya
tahanan
masukan rbe// pembagi tegangan basis R1, R2. Yang digambarkan tanpa R dan C secara perangkat keras.
V1 ....... V6 adalah penguat pemisah untuk
memisahkan untaian RC.
85
Perekayasaan Sistem Audio
C1
C2 V2
V1
Ui
R1
VU1
C3
R5
C4 V3
R2
R6 V5
V4
R3
R4
V6
C6
C5
VU2
U A
VU3
4 X HP (pelalu atas)
2 X LP (pelalu bawah)
Gambar 5.33. Filter yang tersambung Dalam daerah frekuensi tengah HP dan LP tidak efektif yang efektif adalah hanya penguat V1 ..... V6. Penguatan ini dengan begitu adalah penguatan beban kosong VUO. Dari paragrap 1.2.1 dan 1.2.3. dapat dikutip penguatan dari
HP = Vu =
1 b
; LP =
+ 1
1 b
+ 1
Faktor "j" diabaikan,karena hanya dipandang dari segi amplitudo. Semua "penguat-RC" dan penguat V1.......V6 terhubung secara seri.Penguatanpenguatannya saling diperkalikan, maka :
Vuo' =
Uo Ui
= Vu1 . V1 . Vu2 . Vu3 . V3 . Vu4 . V4 . Vu5 . V5 . Vu6 . V6
Untuk penguatan dari V1 ... V6 penguatan beban kosongnya adalah V1 *.... * V6=Vuo. Untuk "penguatan" untaian-RC fungsi sebenarnya VU =
1 ........
maka :
1 1 1 1 1 Vuo' = Vuo = . . . . b1 b2 b3 b4 + 1 + 1 + 1 + 1 b5 + 1
1 . + 1 b6
HP Penguat nyata yang dibahas (gambar 5.7) tidak mempunyai penguatan beban kosong Vuo melainkan
Vuo'. Maka gambar rangkaian penggantinya seperti
berikut.
86
LP
Perekayasaan Sistem Audio
VUo
VUo'
Ui
Ui
U A
U
IDEAL
NYATA
Gambar 5.34. Vuo ideal dan nyata Dalam prakteknya frekuensi batas
b
kebanyakan dipilih sedemikian, bahwa
untaian RC dari HP dan untaian RC dari LP yang pertama-tama menentukan frekuensi batas. Gambar berikut : Menunjukkan perbandingan : 1.Penguatan beban kosong tanpa memperhatikan pembatasan daerah frekuensi Vuo. 2.Penguatan
dengan
umpan
balik
negatif
(penguatan
dalam
pengoperasian) tanpa memperhatikan pembatasan daerah frekuensi VU. 3.Penguatan beban kosong dengan memperhatikan pembatasan daerah frekuensi Vuo' . 4.Penguatan dengan umpan balik negatif (penguatan dalam pengoperasian) dengan memperhatikan pembatasan daerah frekuensi VU' . Vu[dB]
VUO
VUO VUGK VUGK
bb
ba
bb
ba
Gambar 5.35.Kurva Vuo’ dan Vu’ adalah keadaan nyata.
87
Perekayasaan Sistem Audio
5.3.4. Kemiringan pembatas daerah frekuensi. Pengertian : Kemiringan adalah perbandingan dari perubahan penguatan dengan perubahan frekuensi.
V V2 - V1 = 2 - 1
Penguatan = 1 Hertz Hz
Lazimnya kemiringan dalam
dB dB atau dekade oktaf
Pelalu atas HP (High Pass)
Untaian 1 RC
Didepan telah ditulis bahwa penguatan :
Vu =
1 b +1 j
Kemiringan dalam
dB oktaf
;
C
dB dekade Ui
R
Uo
6 dB per Oktaf a (dB) = 20 dB per Oktaf
Untuk 1 untai RC
log VU
* Lihat lembar rumus 6 V2 V1
1 2
bb
Gambar 5.36. Kemiringan
88
log
Perekayasaan Sistem Audio
Beberapa untai RC
Syarat : Semua untaian RC mempunyai frekuensi batas yang sama. Tidak saling mempengaruhi satu sama lain.
Vu =
Kemiringan dalam
dB
. . ........ b b b ;
oktaf
dB dekade
n x 6 dB per Oktaf a (dB) = n x 20 dB per Oktaf
n = Jumlah untaian RC Tiap RC memberikan kemiringan 6 dB / oktaf, 20 dB / dekade Pelalu bawah LP (Low Pass). log VU R
Uo
C
Ui
V1 V2 2 bb 1
Gambar 5.37. Low Pass
Satu untai RC
Dari paragrap 1.2.2. kita kutip :
Vu =
1 b
j
+ 1
Kita hanya memperhatikan amplitudo dan mengesampingkan j jika Maka dengan begitu :
b
b >> .
>> 1 Hanya benar untuk daerah di atas b.
89
log
Perekayasaan Sistem Audio
Kemiringan dalam
dB oktaf
;
dB dekade
- 6 dB per Oktaf a (dB) = - 20 dB per Oktaf
Kemiringan negatif * Lihat lembar......
Beberapa untaian-RC
Syarat : Semua untaian-RC memiliki frekuensi batas
yang sama. Tidak
mempunyai pengaruh satu sama lain.
Vu =
. . ........ b b b
Kemiringan dalam
dB dB ; oktaf dekade
-n x 6 dB per Oktaf a (dB) = -n x 20 dB per Oktaf
n = Jumlah untaian RC Kenaikannya negatif dan turun tiap untai-RC sekitar -6dB tiap oktaf, - 20dB tiap dekade. Dalam teknik penguat, teknik filter pernyataan kemiringan dari pembatas daerah frekuensi memegang peran penting. Pernyataan dibuat hampir selalu dalam besaran dB/oktaf, dB/dekade. Kemiringan pembatas dan susunan Pengertian susunan n berawal pada teknik filter. Setiap penguat memiliki pembatas daerah frekuensi, pengertian ini dapat juga digunakan disini. Susunan kadang dapat menunjukkan kemiringan sebuah pembatas daerah frekuensi. Artinya :
90
Perekayasaan Sistem Audio
Susunan
Kemiringan
n
HP
Jumlah LP
dB/oktaf
dB/dekade
Untaian RC
dB/oktaf
dB/dekad e
1
+6
+ 20
-6
-20
1
2
+12
+ 40
-12
-40
2
3
+18
+ 60
-18
-60
3
4
+24
+ 80
- 24
-80
4
5
+30
+100
-30
-100
5
n =
kemiringan tiap oktaf dB kemiringan tiap oktaf dB atau 6 dB 20 dB
5.3.5. Pengaruh penguatan pada lebar daerah frekuensi. Vu[dB] a
b VUO'
Vu1 -3dB
VU
Vu2 -3dB
e
bb
bb c
ba
b1
ba
h
d
b2
g
f
Gambar 5.38. Hubungan lebar daerah frekuensi V UO dan VU Lebar daerah frekuensi selebar mungkin dan penguatan. Gambar
5.38
menunjukkan
perbandingan
penguatan
frekuensi.Terlihat jelas bahwa dengan penguatan yang
91
dan
lebar
daerah
kecil
lebar
daerah
Perekayasaan Sistem Audio
membesar. Lebar daerah
tanpa
umpan balik pada V UO' = b1. Lebar daerah
dengan umpan balik untuk VU' = b2. Bagaimana jalannya frekuensi, penguatan ini dapat diterangkan? Dari yang telah dibahas dimuka, kita dapat mengutip rangkaian dan rumus untuk perhitungan penguatan dengan umpan balik. Tetapi sekarang V UO menjadi V UO’'
Ui'
VUo'
Ui
U
Z2 Z1
Gambar 5.38. VUO dan VUo” Dari rumus di muka dapat kita lihat bahwa penguatan V U tergantung dari penjumlahan dua besaran. 1
Pertama dari
V UO '
jadi tergantung dari penguatan beban kosong yang nyata
dimana jalannya V UO' seperti dalam gambar 5.34. Kedua dari
Z 1 Z1 Z 2
dari jaringan umpan balik, dimana dapat tergantung pada
frekuensi atau linier. Untuk gambar 5.34 besaran kedua adalah linier. Jalannya penguatan V U' tergantung dari penjumlahan dua besaran, yang dalam rumus mengambil pengaruh lebih kuat. Dalam gambar 5.34, dari e sampai f dan dari g sampai h berlaku :
Z 1
1 V UO '
>
Z1 Z 2
sehingga V U’ = VUO’
Penguatan dengan umpan balik luar berlangsung seperti V UO' Dari f sampai g berlaku : Z 1 Z 1 Z 2
1
> V ' UO
Z 2
dengan itu VU’ = 1 +
Z 1
92
Perekayasaan Sistem Audio
Penguatan berlangsung sesuai dengan umpan balik negatip ! Masih dari gambar 7. Melalui umpan balik negatif V UO' maks = V2 berpotongan di atas V1 = VU maks. Lebar daerah frekuensi b1 membesar menjadi b2. Lebar daerah frekuensi b2 sesuai dengan lebar daerah frekuensi untuk V UO' = V1. Dengan demikian : Lebar daerah frekuensi b selalu dibatasi melalui jalannya frekuensi dari VUO'!
VU selalu terletak dalam batas V UO'!
Lebar daerah dalam fungsi penguatan. Dari pengukuran atau perhitungan diketahui : a) Penguatan V1 b) Frekuensi batas
c, d, (V1)
c) Kemiringan pembatas daerah frekuensi atau susunan n. Berapa besar lebar daerah frekuensi pada V2 ? Sebagai patokan digunakan gambar 5.38. Pelalu atas (high pass HP) Dari rumus pada paragrap 4.1.2 (lihat lembar rumus 4) kita peroleh Vu2
2
= vu1
1
n n
Sehingga f
V1
c
= V2
n n
dalam gambar 5.38.
f
V2 =
. c V1
93
Perekayasaan Sistem Audio
Pelalu bawah (low pass LP) Dari rumus pada paragrap 4.2.2 (lihat lembar rumus Vu2
6) kita peroleh
1
=
vu1
V1
Sehingga g =
V2
2
n
n
V2 V1
=
d
n n
dalam gambar 5.38
g
. d
Lebar daerah frekuensi b1 (V1)
d - c
b2 (V2)
g - f
b2
V1
n
V 2
. d
-
n
V2 V1
Masing-masing adalah
. c
LP : V1,
d
V2, g
LP
HP : V1, c V2, f
HP
5.3. Perbandingan lebar daerah ke perbandingan penguatan.
b2 b1
p
n
V1 V 2
-
n
V2 V1
P
d c
P -1 b2
Rumus di atas memberikan lebar daerah frekuensi b dan perbandingan
b1
untuk semua kemungkinan penguatan, kemiringan dan frekuensi batas. Dalam prakteknya frekuensi batas atas tinggi dari pada frekuensi batas bawah
d, g, kebanyakan terletak banyak lebih c, f.
Contohnya : Penguat audio Op-Amp, d,
d, g, 20 kHz/ c, f 20 Hz
g OHz (DC)/ c, f sampai MHZ.
94
Perekayasaan Sistem Audio
Dengan demikian lebar daerah frekuensi boleh hanya frekuensi batas atas saja yang diperhatikan.
b1 b2
=
g d
b1 b2
n
=
n
V1
. d V2 d
V1 V 2
Perkalian penguatan dengan lebar daerah frekuensi. Jika kemiringan dari LP = -20 dB per dekade, maka didapat
g =
V 1 V 2
x d dengan itu
V1 . b1 = V2 . b2
Perkalian penguatan dengan lebar daerah frekuesi hanya berlaku jika -20 dB/dekade. Tuntutan ini secara umum dipenuhi oleh Op-Amp. V1 * b1 = V2 * b2.
95
Perekayasaan Sistem Audio
Gambar 5.39. Kemiringan
96
Perekayasaan Sistem Audio
TUGAS 4 Rangkailah PRT penguat yang sudah
FG
PSU
CRO
disolder
lengkap
seperti
PRT Penguat a T
n
+Us A T
m
0V
rangkaian
peralatan
pengukuran
disamping ini. Jumper pada PRT di set pada “m”, R4 di set untuk penguatan minimum. Atur FG pada gelombang sinus
Gambar Rangkaian Pengukuran
dengan
dan
frekuensi
sesuai
tabel.
Amplitudo FG diatur 2mVpp (di ubah bila bentuk gelombang keluarannya cacat)
Lengkapi tabel tugas berikut dari hasil perhitungan teori. Masukkan hasil pengukuran yang diperoleh
TABEL I Pengukuran tanggapan frekuensi dan tanggapan phasa tanpa umpan balik.
97
Perekayasaan Sistem Audio
Tegangan masukan 2 mVpp (selalu dipertahankan). f
Uo
Vu
Vu
S1
S2
Hz
Volt
kali
dB
divisi
divisi
10 20 50 100 200 500 1k 2k 5k 10k 20k 50k 100k
Keterangan . Uo = tegangan keluaran. Vu = penguatan tegangan. Q
pergeseran fasa
180
o
S2
xS1
98
Q
Perekayasaan Sistem Audio
Gambarlah hasil pengukuran ke lembar grafik berikut ini
10
0
1 10
10
2
3 10
99
4 10
10
5
Perekayasaan Sistem Audio
5.4.
Pengukuran Kualitas Penguat Suara
Untuk dapat meletakkan suatu penguat dalam suatu kelas mutu, harus mengetahui data tekniknya. Biasanya pembuat peralatan menyertakan data-data teknik antara lain untuk sebuah penguat suara, berikut diuraikan data-data yang harus ada pada penguat depan :
Faktor cacat
Cacat intermodulasi
Daerah pemindahan (tanggapan frekuensi)
Perbandingan sinyal ke desis
Cakap silang
Keseimbangan kanal
Faktor cacat Faktor cacat adalah ukuran untuk cacat sebuah getaran sinus melalui harmonis sehingga disebut pula cacat harmonis. U
f
2 f 3 f 4 f 5 f 6 f f
Gambar 5.40. Frekuensi harmonisa (2f 3f dst) yang ditimbulkan
Ze
volt meter AF
Ra
G
Penguat yang diukur
v Ua
v
Jembatan ukur faktor cacat
Gambar 5.41. Tata cara mengukur faktor cacat Idealnya penguat hanya menguatkan sinyal frekuensi asli atau dasar, tapi karena dalam penguat terdapat komponen aktip yang bekerja tidak linier, maka selain sinyal asli timbul sinyal baru dengan frekuensi lain. Frekuensi baru merupakan
100
Perekayasaan Sistem Audio
kelipatan frekuensi dasar (harmonis). Sinyal-sinyal harmonis ini turut dikuatkan bersama sinyal dasar, sehingga pada keluaran tertampil jumlah seluruh sinyal. Maka sinyal keluaran tidak sesuai lagi dengan sinyal masukan.
U2f2 + U2 f3 + .......... ..
Faktor cacat k =
U2f1 + U2f2 + U2f3 + ..... .
x100%
Gambar menunjukkan pengukuran faktor cacat, penguat dikendalikan mencapai harga tegangan nominal pada Ra. Jembatan ukur faktor cacat ditala pada frekuensi yang sama dengan frekuensi generator, gunanya untuk menekan frekuensi dasar. Setelah jembatan ukur dipasang milivolmeter mengukur amplitudo gelombang harmonis keseluruhan, yang kemudian dikalibrasi sebagai faktor cacat dalam %. Cacat intermodulasi Bila sebuah penguat dikendalikan secara penuh dengan dua frekuensi maka akan timbul bagian dari semua frekuensi jumlah dan beda. Hal ini terjadi dari pencampuran melalui garis kurva bengkok. Sinyal
masukan
U
penguat
f1
Keluaran dengan
penguat
f2
f
U
gelombang
harmonis
Keluaran dengan
penguat
f12 f1 3 f1 4 f1
f2
2 f2 f
f12 f13 f14 f1
f2
2 f2 f
U
gelombang
harmonis
serta
frekuensi beda.
Gambar 5.42 Cacat intermodulasi
101
Perekayasaan Sistem Audio
Pengukuran derajad intermodulasi sesuai peraturan DIN, penguat diberi dua sinyal dengan frekuensi f2 = 8000 Hz dan f1 = 250 Hz. Perbandingan amplitudonya adalah 1 : 4. Jumlah harga puncak dari f1 dan f2 seharusnya mengendalikan penguat secara penuh, dimana dengan itu tegangan f1 jatuh sebanyak empat bagian atau 80% dari tegangan maskan. Pada Ra akan terukur tegangan-tegangan Uf2-Uf2 + Uf1 juga Uf2 - 2 Uf1 dan Uf2 + 2 Uf1 dan seterusnya. Maka derajad intermodulasi m dihitung dengan rumus
m=
(Uf2 - Uf1) + (Uf2 + Uf1)2 + (Uf2 - 2Uf1) + (Uf2 + 2Uf1)2 .......100% Uf2
tahanan dekoeple
Ze G
G
Ze
Ra
Uf1:Uf2=1,4
Ua
v AF volt meter selektif atau alat ukur inter
Penguat yang diukur
modulation
Gambar 5.43. Tata cara pengukuran inter modulasi
Daerah pemindahan (tanggapan frekuensi) Daerah pemindahan sebuah penguat adalah daerah frekuensi, dimana penguat menindahkan tanpa cacat linier pada harga nominal. Pada frekuensi batas penguatan turun sekitar 3 dB (30%. Tentu dicita-citakan daerah pemindahan yang besar. Walaupun pendengaran manusia hanya sampai sekitar 15 kHz, perlu dikembangkan penguat sampai misalnya 30.000 Hz. Bunyi suatu instrumen ditentukan oleh harmonisnya, misalnya suatu instrumen bergetar pada 10.000 Hz maka harmonis pertama terletak pada 20.000 Hz, harmonis kedua pada 30.000 Hz. Walau orang tidak bisa mendengar gelombang
102
Perekayasaan Sistem Audio
harmonis, tetapi perbedaan antara frekuensi dasar dan harmonis berada pada daerah pendengaran. Dengan pengatur kuat suara dibuka penuh, penguat dikendalikan oleh generator suara dengan frekuensi 1000 Hz dan tegangannya 10 dB dibawah harga tegangan masukan nominal. Tegangan keluaran pada Ra dengan kondisi ini diambil sebagai tegangan patokan 0 dB. Frekuensi generator diubah-ubah dari minimum maksimum.
Z e R a U a
G
P e n g u a ty a n g d iu k u r
+ /-1 ,5 d B
d B
1 0
1 6 k H z
Gambar 5.44. Tata cara mengukur tanggapan frekuensi (kiri), dan kurva tanggapan frekuensi Perbandigan sinyal ke desis (signal to noise ratio S/N) Jarak sinyal dengan desis atau lebih dikenal perbandingan sinyal ke desis adalah perbandingan antara sinyal yang berguna dengan sinyal pengganggu yang dapat terdengar. Dan perbandingan ini ukur dalam dB, sinyal pengganggu ini termasuk desis dan brum.
Ze G
S N
Ra
Ua
v
Penguat yang diukur
Gambar 5.45. Tata cara pengukuran S/N
103
Perekayasaan Sistem Audio
Penguat dikendalikan oleh generator dengan frekuensi 1000 Hz dan dengan tegangan masukan minimum, kuat suara dilemahkan sehingga daya keluaran pada Ra sebesar 100 mW (pada Ra = 4 Untuk stereo 2 x 50 mW (pada Ra = 4
, 630 mV).
, 2 x 450 mV).
Pengatur nada pada kondisi datar, geseran tidak boleh lebih dari + 4 dB sekitar harga patokan pada 1 kHz. Tegangan keluaran pada kondisi sebagai patokan tegangan patokan 0 dB. Kemudian generator dilepas, masukan diganti dengan komponen penutup,kemudian diukur lagi. Pada kondisi terakhir adalah pengukur sinyal gangguan yang ditimbulkan dari penguat sendiri.
S/N = 20 log
Ua U gangguan
(dB)
Cakap silang (cross talk) a. Cakap silang antar kanal Pada peralatan stereo adalah ikut bersuaranya kanal yang lain jika kanal yang satu sedang beroperasi. G
Ze
MIC in
Ra
47k TAPE in
Ua
v
Penguat yang diukur 100pF
posisi TAPE
Gambar 5.46. Pengukuran cakap silang Kedua kanal pada keluaran dipasang tahanan murni sebesar impedansi keluarannya. Kanal yang satu dikendlikan oleh generator hingga diperoleh tegangan keluaran nominalnya dengan frekuensi 1000 Hz antara 250 Hz sampai 10.000 Hz. Keduanya diukur dengan voltmeter AF. Besarnya redaman cakap silang = 20 log
U 1 U 2
b. Cakap silang antar masukan yang berlainan .
104
(dB)
Perekayasaan Sistem Audio
Timbulnya cakap silang antar masukan yang satu dengan yang lainnya. Satu masuka penguat dikendalikan oleh generator suara, sedang yang lainnya ditutup dengan komponen penutup. Penguat dihubungkan antara masukan satu dengan yang lainnya, masingmasing diukur keluarannya. Perbandingan tegangan keluaran dengan tegangan keluaran nominal disebut cakap silang. Besarnya cakap silang = 20 log
Usa (dB) Una
Usa = tegangan keluaran terukur Una = tegangan keluaran nominal Keseimbangan kanal Pada peralatan stereo, kekuatan suara kanal kanan dan kiri boleh berbeda pada batas
tertentu.
Sedang
pada
peralatan
stereo
dengan
keseimbangan (balance) perbedaan boleh lebih besar lagi.
Ze
G
Ze
Ra
Ua
v
Ra
Ua
v
Penguat yang diukur
Gambar 5.47. Tata cara mengukur keseimbangan kanal
105
pengatur
ke